EP2095695A1 - Planar-helical undulator - Google Patents

Planar-helical undulator

Info

Publication number
EP2095695A1
EP2095695A1 EP07846613A EP07846613A EP2095695A1 EP 2095695 A1 EP2095695 A1 EP 2095695A1 EP 07846613 A EP07846613 A EP 07846613A EP 07846613 A EP07846613 A EP 07846613A EP 2095695 A1 EP2095695 A1 EP 2095695A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
undulator
section
winding
planar
coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07846613A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Max Beckenbach
Theo Schneider
Bernd Lott
Marion KLÄSER
Matthias Eisele
Pauline Leys
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP2095695A1 publication Critical patent/EP2095695A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/04—Synchrotrons
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • 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 planar-helical undulator for electrically variable and with respect to the undulator length partially different polarization of the photon radiation emitted from it.
  • the undulator is a light source that emits polarized radiation. For this purpose, it is positioned along one or an accelerator path.
  • the undulator interacts with the near-axis region of its magnetic field to the continuous, electrically charged particle flow. Due to its velocity in the undulator region, the particle flow interacts with the undulator magnetic field according to the relationship vx * > , a deflecting field strength or a deflecting field
  • Undulators are used in particular for the generation of short-wave electromagnetic radiation, predominantly X-radiation, in synchrotrons.
  • the beam axis of the photon radiation emitted by the undulator is tangent to the particle beam axis.
  • a coil consists of two sections, a hot section and a planar section, of which the planer section m is inserted and positioned in the hot section.
  • the sections each consist of a coil body made of non-magnetic material, in which planar winding chambers are emgefrast around the coil axis.
  • the planar winding chambers are perpendicular to the coil axis, the hot winding chambers similarly penetrated at an angle 45 ° from the hot coil axis.
  • the distances of the successive winding chambers, the structural period length ⁇ b , are the same in both bobbins.
  • the Undulatorachse and the coil axes are parallel to each other and lie m a plane, the axial plane.
  • each winding chamber the winding base
  • the bottom of each winding chamber, the winding base is convex, especially circular at the inserted planar section.
  • the location in the winding ground with the largest radius of curvature or the area with the largest radius of curvature in the hot section is the Undulatorachse centered to the axis plane closest.
  • a section consists of an input and output region for the winding wire on the lateral surface in one end region and a winding wire connection on the lateral surface in the other end region, between them is the winding chamber region, wherein a section is in one piece or with small number of winding chambers from the two end regions or at a larger number of winding chambers from the two end portions and at least one chamber portion therebetween, wherein the at least two section parts are connected to each other via axial connecting elements forming a section.
  • the winding wire is a normal electrical conductor or a technical superconductor, with him a section under constant, predetermined tension in always the same winding sense wound as follows:
  • a first piece of winding wire extends from the winding wire entry form fitting incident on the lateral surface to the winding base of the first winding chamber and traverses this form-fitting Inset. It then cuts through the jacket to the next, second winding chamber to the winding base and is wound up high. From there, the winding wire cuts through the jacket to the next, third winding chamber, where it runs to the winding base and traverses it in a positively fitting manner. Further, it cuts the jacket to the winding base of the following, fourth winding chamber and is wound in the same direction as before high.
  • a second piece of winding wire runs from the winding wire output form fitting lying over the lateral surface to the winding base of the first winding chamber and is wound in the same direction as in the even-numbered winding chambers. It then cuts through the jacket to the second winding, crosses it, then cuts through the jacket to the third winding chamber on the winding base and is wound in the same direction as previously high. Then it cuts through the jacket to the fourth winding chamber, crosses it, then cuts through the jacket to the fifth winding chamber on the winding base and is wound up high. In this manner, until the last even-numbered winding chamber from which it crosses the even-numbered winding and leads to the winding wire connection.
  • the underpasses and overpasses as well as the conductor connections and conductor connections lie in the area of the coil body facing away from the undulator axis.
  • the windings are electrically connected to each other in series, but generate when energized magnetic fields whose opposite magnetic field axes are opposite, in the case of the hot section opposite in parallel.
  • the number of turns in the winding chambers of a section is constant.
  • the amounts of currents applied to the superconducting material in the individual sub-undulators can be adjusted independently of each other, whereby the resulting undulator field resulting from the superposition of the undulator field generated by the sub-undulators , determines the polarization direction of the synchrotron radiation, to which a first subundulator is arranged so that its first undulator field is substantially perpendicular to the direction of particle flow, and a second subundulator is arranged so that its second undulator field is a non-zero component both in direction of the first undulator field as well as in the direction which is substantially perpendicular to the direction of the first undulator field and in the direction Substantially perpendicular to the direction of the particle flow has.
  • the technical problem is the production of an undulator and thus the realization of the windings of such an undulator.
  • locally high magnetic field strengths and strong field gradients can be achieved with which a safe operation without degradation and spontaneous transition from the superconductivity to the normal line, the quenching effect or quenching is possible.
  • the object of the physics described in DE 103 58 225 is to provide an undulator of electromagnetic components, with which the desired polarization of the out of the. Only on the change of the current in the undulator magnetic field generating conductor sections and not on mechanically / locally moving undulator Undulator emitted light can be adjusted.
  • a technical solution of a planar-helical undulator is to be specified, with which either only the linear or only the circular or only the elliptical polarization can be set, but also the technical solution of a planar-helical undulator can be specified the emitted light beam, the synchrotron light from the undulator, partially different polarized occurs.
  • the magnetic field generating devices of the undulator in a known manner from e- lektrisch normalêt, especially superconducting solenoidalen Windings exist.
  • the boundary conditions for the production of superconducting coils are also complied with; at least: suitable superconductors, suitable bobbins, electrical insulation of the bobbin, conductor guidance in the winding chambers, conductor guidance at Spulenein- and output, conductor guidance in the crossings, Spulenein- and output, surges, Lorentz forces, quenching safety.
  • each winding chamber is, viewed from the outside, convex and the location or area in the winding base with the largest radius of curvature is closest to the undulator axis centered to the axis plane and the two sections of a coil have equal numbers or different numbers of winding chambers. In the case of the same number of winding chambers, the longitudinal areas of the two sections coincide. In the case of different numbers, the section with the smaller number of winding chambers is completely positioned in the longitudinal region of the longer section.
  • the planar section In the case of two equally long sections of a coil and annular winding chambers of the planar section and in each case a constant number of windings in both sections, the planar section is positioned around the vertical section. Also, in the case of equally long sections of a coil, the number of turns in the winding chambers is not constant in at least one section of a coil. However, it then changes symmetrically over the length of the section to its section center. In this case, the planar section may also be in the vertical section or vice versa, the planar section surrounds the hot section.
  • the number of turns in the winding chambers is constant or in at least one section of the coil, the number of turns in the winding chambers is not constant, but changes symmetrically over the length of the section to its section center.
  • Short sections can follow each other in the long section of the long section, but only if the long section is very long compared to a short section.
  • three polarization sections namely two identical ones, which are interrupted by a different polarization section, can then be generated.
  • the sequence of equal polarization is interrupted according to the number of short sections by a generally different polarization.
  • the magnetic field which can be generated by the respective planar section of the two coils of the planar helical undulator and about the undulator / beam axis, which is perpendicular to this axis, has a periodic, sinusoidal course, ie, between two successive winding chambers in the course of the undulator axis a magnetic field maximum and at the winding chamber center, the magnetic field generated therefrom is zero, or this magnetic field makes there along the Undulatorachse a reversal of direction.
  • a magnetic field perpendicular to the beam axis is generated along and around the undulator / beam axis, which has a planar portion of the magnetic field and thus, as explained above, is periodic, and one to and to the beam axis has further field share, which also along the beam axis periodically, but now cosinus-like, ie between two consecutive hot winding chambers, there is a zero crossing and thus a change in direction of the generated by the successive hot winding chambers hot field component.
  • the number of winding chambers of the planar section due to the sinusoidal magnetic field characteristic even or uneven be radiereig, because in any case, along the beam axis through the eterulator flying electrically charged particle undergoes complete compensation / neutralization of its experienced by the undulator magnet field orbit disturbances.
  • the planar-helical transder can be represented in two ways. According to claim 2, it is formed by folding the one ündulatorspule by 180 ° to the beam or undulator axis. He is thus made by two identical to ⁇ identical coils with planar and hot section. The other illustration is according to claim 3, the symmetrical to the undulator axis position of a coil to another. However, this situation can not be realized with two identical coils but only with two identical but not identical coils, because then the hot section is in a coil mirror image of the coil axis of the other of the other coil.
  • planar-helical undulator When constructing the planar-helical undulator according to claim 2 or claim 3, attention must be paid to the energization of the two hot sections so that the necessary magnetic field addition between the two coils is achieved in order to obtain a hot magnetic field component of the inductor field.
  • the mirrored hot section is for generating the magnetic field opposite the folded hot section Claim 2 opposite flows through the stream. Claim 2 describes the technically simpler solution to the planar-helical undulatory tor, since this consists of two identical coils.
  • the positioning of the two coils of the planar-helical undulator to each other can also be done in two ways, namely according to claim 4, the two coils of the undulator are mechanically not coupled together and are thus anchored individually adjusted in their environment. According to claim 5, both coils are mechanically coupled together while maintaining a passband for the passing, electrically charged particle beam or the electron beam to measure, so that the planar-helical undulator is adjusted as a whole with respect to the beam axis path.
  • the bobbin material is dielectric and / or metallic, wherein a bobbin depending on the structure consists of one or the other or a combination of bobbin parts.
  • the winding wire has round, usually circular or rectangular cross section with a predetermined aspect ratio.
  • the conductor for the winding in the winding chamber may even be markedly band-shaped.
  • the winding wire is electrically normally conductive.
  • the winding wire is electrically normally conductive.
  • only the contact at the winding input, winding output and the winding wire connection may be normally conductive.
  • Another type of conductor is characterized in claim 10. Thereafter, the winding wire is a technical superconductor.
  • the superconductor is for example of NbTi or NbXTi or MgB.
  • the winding of the winding wire in a winding chamber is at least single-layered and at least single-conducting. At least one conductor is located per layer of a winding. This is the case anyway with a purely band-shaped winding (pancake).
  • the winding input, output, winding wire connection, undercrossing at the bottom of the winding chamber, and traversing the winding in a winding chamber are in the region away from the undulator axis, i. the formation of the magnetic field influenced there by the under- and overpass of the winding wire / -band has no influence on the undulator magnetic field.
  • the two planar sections are in operation flowed through by the same current I 2 and the current direction in the relative to the undulator axis opposite planar windings when penetrating the axial plane is the same. This is best achieved by an electrically corresponding series connection of the two planar sections.
  • the two hot sections in operation flowed through by the same current Ii and the current direction in the respect to the Undulatorachse opposite to each other hot windings when penetrating the axial plane is the same.
  • a modified variant is described in claim 17. There, the two hot sections are in operation flowed through by the same current Ii and the current direction in the respect to the Undulatorachse opposite each other, hot windings is opposite to the penetration of the axial plane.
  • the setting of the two section currents Ii and I2 results in a generally elliptical polarization depending on the respective section length emitted by the undulator reaches the photon radiation, wherein the elliptical polarization by current setting circular, or can be degenerate to a linear polarization.
  • the planar-helical undulator has a region or regions with only planar sections, ie there is a purely planar undulator, a photon beam with only linear polarization is generated there. Conversely, an area or areas with only a hot section will generate or produce a photon beam of generally elliptical polarization.
  • one of the two coils emerges by mirroring the other at the plane through the undulator / beam axis, which is perpendicular to the axial plane, and thus at least partially a planar-helical undulator, depending on the current direction through the respective hot section either a linear Polarization of the photon radiation emitted by the undulator or generates a generally elliptical polarization of the photon radiation emitted by the undulator.
  • section-dependent polarization is described in detail in the above-cited scientific report FZKA 6997 for the situation of equal section length, inner planar section with circular winding chambers and constant number of turns in the winding chambers of the two sections and thus directly on the sections of the planar-helical undulator with both sections transferable. Portions of the planar-helical undulator with only the two planar sections generate light with only linear polarization. Conversely, portions of the planar-helical undulator with only the two hot sections produce light of generally elliptical polarization.
  • Figure 1 planar helical coil with partially surrounding hot section
  • FIG. 2 shows a planar-helical undulator formed by folding
  • FIG. 3 shows a planar-helical undulator resulting from reflection
  • Figure 4 planar helical coil with partially surrounding planar section;
  • FIG. 5 planar helical undulator resulting from folding
  • FIG. 6 shows a planar-helical coil with an overlapping surrounding planar section
  • FIG. 7 shows a planar-helical undulator formed by folding
  • Figure 8 planar-helical undulator coil with overlapping surrounding hot section
  • FIG. 9 shows a planar-helical undulator formed by folding
  • the two planar sections in the planar-helical undulator are in the two identical planar-helical coils and in relation to the Undulatorachse mirror-symmetrical planar helical coils electrically also in series with each other and are connected to a controllable and controllable power supply, as the two hot sections such that the two magnetic field components which can be generated are adjustable independently of one another along and around the undulator / beam axis.
  • magnetic field addition and subtraction and reversal of the magnetic field direction for the undulator magnetic field with stationary undulator coils can be set as desired only via the current setting.
  • the two coils mechanically adjusted to the planar-helical undulator remain in this adjusted position.
  • Figure 1 illustrates the planar helical coil in which the hot section surrounds the planar one.
  • the planar section consists of 11, ie odd, axially juxtaposed nikrmgformigen windings, which is not axially within its long range of the clairvoyance section of 4 axially juxtaposed, elliptical annular windings surrounded.
  • the planar section is longer than the surrounding hot, both are not long identical.
  • the windings of both sections have the same winding spacing and the hot winding area or the two hot winding areas with the largest radius of curvature come closest to the winding area of the associated planar winding. It is here are only 4 planar-helical Wicklungsproving- or winding pairs in the coil.
  • FIG. 2 shows the planar helical undulator composed of two identical coils according to FIG. 1, that is to say folding of one coil 180 ° about the undulator axis produces the other coil. Both coils with their respective non-identical planar and hot sections are identical.
  • FIG. 3 shows the planar helical undulator composed of two coils which are relative to one another with respect to the undulator axis. Both coils with their respective non-identical planar and hot sections are no longer identical.
  • the electrically charged particles flying along the undulator axis usually electrons, emit light in the magnetic field around and along the undulator axis, monochromatic or narrow-band X-ray light, the undulator light, in the particle path direction with sections of different polarization, namely, the electrons from At the left side of the undulator, first a purely linear polarization in the first flying through, free-standing planar section, then a generally elliptical polarization in the coincident planar-helical section and finally again pure linear polarization in the planar section on the right.
  • undulator light is generated with sections of different polarization.
  • the polarization sections are determined by the velocity / energy (see, for example, equations 2.11 to 2.13 in the FZK 6997 scientific report) of the passing electrons and the length of the exposed planar sections and the length of the actually planar-helical section, ie the formation of the to the undulator axis and in the same vertical magnetic field, determined / fixed.
  • Figure 2 in DE 103 58 225 shows the planar-helical undulator with two identical coils, in which the planar and the hot section have the same number of winding chambers and also windings and the planar section is surrounded by the hot congruent ones Section 3 there are long identical.
  • Figure 3 represents the planar helical coil in which the hot section also surrounds the planar one.
  • the planar section consists of 7 axially juxtaposed Vietnameseringformigen windings, which is not axially within their Langs Kunststoffs surrounded by the hot section of 10 axially juxtaposed, elliptical annular windings.
  • the planar section is shorter here than the surrounding one, so both are not long identical either.
  • the windings of both sections also have the same winding spacing and the hot winding area or the two hot winding areas with the greatest radius of curvature come closest to the winding area of the associated planar winding.
  • there are 7 planar-helical Wicklungssch- or winding pairs in the coil here.
  • the hot section of the coil overhangs the planar bilateral.
  • the planar-helical undulator comes in the manner described by folding by 180 ° about the ündulatorachse and thus consists of two identical coils ( Figure 5), or by mirroring a coil on the Ündulatorachse and thus consists of two identical but not identical coils. The latter is no longer shown, but can be seen from Figure 3 accordingly.
  • a light beam is generated tangentially to the electron beam axis by the flying electrical charge carriers / electrons, which occurs in sequence sections with elliptical, then elliptical or linear and then elliptical polarization.
  • the elliptical polarization may also be circular in particular.
  • Figure 6 illustrates the planar helical coil in which the hot section is surrounded by the planar one.
  • the planar section here consists of 7 axially lined elliptical annular windings or winding chambers with elliptical winding ground, which is not axially centered within the Langs Symposiums the hot section of here 10 axially juxtaposed, also elliptical annular windings.
  • the planar section is shorter than the inside lying hot.
  • both sections of the coil are not identical in length. Axial the windings of both sections have the same winding distance, and the hot winding area or the two hot winding areas with the largest radius of curvature comes, or come to the winding area of the associated planar Winding with the largest radius of curvature also next.
  • planar-winding winding chamber or winding pairs there are 7 planar-winding winding chamber or winding pairs in the coil.
  • the planar-undulating undulator according to FIG. 7 formed therefrom also comes about here in the two manners described above by two identically constructed coils (folding by 180 °). (The likewise possible generation of the undulator by reflection is no longer represented in this case.)
  • this undulator a light beam is generated tangentially to the electron beam axis by the electric charge carriers / electrons passing through, which in turn result in sections with elliptical, then elliptical or linear and then elliptical Polarization occurs.
  • the elliptical polarization can again be especially circular.
  • FIG. 8 illustrates the planar helical coil in which the hot section is surrounded by the planar one.
  • the planar section now consists of 9 elliptical or annular windings arranged axially adjacent to each other or of winding hammers with an elliptical winding base which do not axially axially overlap the longitudinal region of the vertical section of 4 axially aligned, likewise elliptically annular windings on both sides.
  • the planar section is longer than the internal one. Both sections of the coil are not long identical.
  • the windings of both sections have the same winding spacing, and the hot winding area or the two hot winding areas with the largest radius of curvature come closest to the winding area of the associated planar winding with the largest radius of curvature.
  • there are 4 planar-helical Wicklungs hunt- or winding pairs in the coil.
  • the planar-helical undulator also comes here in the two ways described above by two identical or two bauver Kunststoffene different coils. Shown in Figure 9 is only the generation of the undulator by 180 ° - folding.
  • a light beam is generated tangentially to the electron beam axis by the electric charge carriers / electrons passing through, which consequently results in sections with linear, then adjustable elliptical or linear and then planar polarization. occurs.
  • the adjustable elliptical polarization can also be circular in particular.
  • a planar-helical undulator can be built to produce a light beam with more than 2 sections of pure linear or pure elliptical polarization, depending on the coil design. See above for a comment on several axially successive small sections in the long range of a very long section. In the long range of the very long planar section, for example, there were then more than two hot sections or vice versa, actually an axial sequence of more than two planar-helical undulators - a technically complex device.
  • a natural limitation of the entire undulator length lies in the divergence of the light beam generated in it, in particular in the initial region.

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Abstract

A planar-helical undulator which is electrically complete for variable polarization over 360° of the x-ray emitted therefrom is constructed from two identical or two identically built coils which each have a planar and a helical section. The base of each coil winding in a section is convex as seen from outside, and the position or area of the coil base with the largest radius of curvature is such that the undulator axis is aligned to the next axis level. The two sections of a coil have the same or a different number of coil windings. The longitudinal areas of the two sections coincide, or the smaller lies completely within the larger. In the case of sections of a coil having the same length and circular coil windings of a planar section and a constant number of turns in both sections, the planar section is positioned around the helical section. In the case of sections of a coil having the same length in at least one section of a coil, the number of turns in the coil winding is not constant and varies over the length of the section to the symmetrical section center thereof. In the case of sections having lengths which are not the same, the number of turns in the coil winding is constant or, in at least one section of the coil, the number of turns in the coil winding is not constant and varies along the length of the section to the symmetrical section center thereof. The number of coil windings of the planar section is >= 2, and the number of coil windings of the helical section of a coil is >= 2 and is an even number.

Description

Planar-helischer UndulatorPlanar-helical undulator
Die Erfindung betrifft einen planar-helischer Undulator zur elektrisch variierbaren und bezüglich der Undulatorlänge abschnittsweise unterschiedlichen Polarisierung der aus ihm emittierten Photonenstrahlung.The invention relates to a planar-helical undulator for electrically variable and with respect to the undulator length partially different polarization of the photon radiation emitted from it.
Der undulator ist eine Lichtquelle, die polarisierte Strahlung abgibt. Er ist hierzu entlang einer, bzw. um eine Beschleunigerstrecke positioniert. Der Undulator wirkt mit dem achsnahen Bereich seines Magnetfelds auf den durchlaufenden, elektrisch geladenen Teilchenstrom ein. Der Teilchenstrom wechselwirkt aufgrund seiner Geschwindigkeit ^ im Undulatorbereich mit dem Undulatormagnetfeld ° gemäß der Beziehung vx*> , einer ablenkenden Feldstärke, bzw. einer auslenkendenThe undulator is a light source that emits polarized radiation. For this purpose, it is positioned along one or an accelerator path. The undulator interacts with the near-axis region of its magnetic field to the continuous, electrically charged particle flow. Due to its velocity in the undulator region, the particle flow interacts with the undulator magnetic field according to the relationship vx * > , a deflecting field strength or a deflecting field
Kraft, der Lorentzkraft FL = e vx& . Undulatoren werden insbesondere für die Erzeugung kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, überwiegend Röntgenstrahlung, in Synchrotronen eingesetzt. Die Strahlachse der vom Undulator emittierten Photonenstrahlung ist tangential zur Teilchenstrahlachse .Force, the Lorentz force F L = e vx &. Undulators are used in particular for the generation of short-wave electromagnetic radiation, predominantly X-radiation, in synchrotrons. The beam axis of the photon radiation emitted by the undulator is tangent to the particle beam axis.
In der DE 103 58 225 wird ein Undulator und ein Verfahren zu dessen Betrieb beschrieben. In der Beschreibungseinleitung dieser Schrift wird der Stand der Technik ausführlich abgehandelt und der physikalische Gedanke zum Aufbau eines speziellen Undulators, der aus mindestens zwei Baugruppen besteht, ausführlich abgehandelt. Der beschriebene Undulator erzeugt mit seinem Magnetfeld und dem durch dieses tretenden Teilchenstrom Synchrotronstrahlung, wobei jeder Teilundula- tor ein supraleitendes Material umfasst, das bei der Beaufschlagung mit einem Strom ein Undulatorfeld erzeugt, das senkrecht zur Richtung des Stroms angeordnet ist, und das supraleitende Material in den einzelnen Teilundulatoren derart angeordnet ist, dass die von den Tei- lundulatoren erzeugten Undulatorfeider nicht parallel zueinander stehen. Neben der Erläuterung des physikalischen Bauprinzips wird eine Undulatorspule mit zwei gleich langen Sektionen, einer eingeschoben planaren und einer umgebenden heiischen Sektion vorgestellt. In dem wissenschaftlichen Bericht FZKA 6997 des Forschungszentrums Karlsruhe GmbH ist von U. Schindler ein supraleitender planar- helischer Undulator mit elektrisch umschaltbarer Helizitat insbesondere in dem Kapitel 4 Supraleitende Undulatoren beschrieben. Eine Spule des Undulators geht aus der andern durch Klappung um 180° um die Undulatorachse hervor. Mit diesem planar-helischer Undulator kann Röntgenstrahlung mit elektrisch variierbarer Polarisierung erzeugt werden. Er hat folgenden Aufbau:In DE 103 58 225 an undulator and a method for its operation is described. In the introduction to the description of this document, the prior art is dealt with in detail and the physical idea for the construction of a special undulator, which consists of at least two modules, dealt with in detail. The described undulator generates synchrotron radiation with its magnetic field and the particle stream passing through it, each subundulator comprising a superconducting material which, when subjected to current, generates an undulator field which is perpendicular to the direction of the current and the superconducting material in the individual Teilundulatoren is arranged such that the Undulatorfeider generated by the partundulatoren not parallel to each other. In addition to the explanation of the physical construction principle, an undulator coil with two equally long sections, an inserted planar and a surrounding hot section is presented. In the scientific report FZKA 6997 of Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, U. Schindler describes a superconducting planar-helical undulator with electrically switchable helicity, in particular in Chapter 4 Superconducting Undulators. One coil of the undulator emerges from the other by folding 180 ° around the undulator axis. X-ray radiation with electrically variable polarization can be generated with this planar-helical undulator. He has the following structure:
Zwei gleichartigen Spulen liegen sich bezuglich der Undulatorachse, die im Einbau ein Teil der Synchrotronstrahlachse bildet, aguidistant gegenüber und haben gleichen Abstand zur Undulatorachse. Eine Spule besteht aus zwei Sektionen, einer heiischen und einer planaren Sektion, wovon die planere Sektion m die heiische eingeführt und darin positioniert ist. Die Sektionen bestehen aus je einem Spulenkorper aus nichtmagnetischem Material, in den ebene Wicklungskammern um die Spulenachse emgefrast sind. Die planare Spulenkorperachse und fallt mit der heiischen Spulenkorperachse zusammen, beide bilden die bzw. liegen auf der Spulenachse.Two similar coils lie with respect to the undulator axis, which forms part of the synchrotron beam axis in the installation, aguidistant opposite and have the same distance from the undulator axis. A coil consists of two sections, a hot section and a planar section, of which the planer section m is inserted and positioned in the hot section. The sections each consist of a coil body made of non-magnetic material, in which planar winding chambers are emgefrast around the coil axis. The planar coil body axis and coincides with the hot coil core axis, both form or lie on the coil axis.
Die planaren Wicklungskammern sind senkrecht von der Spulenachse, die heiischen Wicklungskammern gleichartig unter einem Winkel 45° von der heiischen Spulenachse durchdrungen. Die Abstande der aufeinander folgenden Wicklungskammern, die bauliche Periodenlange λb, sind in beiden Spulenkorpern gleich. Die Undulatorachse und die Spulenachsen sind zueinander parallel und liegen m einer Ebene, der Achsenebene.The planar winding chambers are perpendicular to the coil axis, the hot winding chambers similarly penetrated at an angle 45 ° from the hot coil axis. The distances of the successive winding chambers, the structural period length λ b , are the same in both bobbins. The Undulatorachse and the coil axes are parallel to each other and lie m a plane, the axial plane.
Der Boden einer jeden Wicklungskammer, der Wicklungsgrund, ist konvex, speziell kreisförmig bei der eingeschobenen planaren Sektion. Die Stelle im Wicklungsgrund mit dem größten Krümmungsradius oder der Bereich mit dem größten Krümmungsradius bei der heiischen Sektion liegt der Undulatorachse mittig zur Achsenebene am nächsten. Die beiden Sektionen einer Spule sind so zueinander positioniert, dass eine planare und umfassende heiische Wicklungskammer am gleichen axialen Ort sich in der Achsenebene zweimal windschief kreuzen und sich mit ihrem zur Undulatorachse jeweils nächstliegenden Bereich am nächsten kommen, wobei dort der Krümmungsradius der Wicklungskammer aus der eingeführten Sektion höchsten gleich dem Krümmungsradius der Windungskammer der umfassenden Sektion ist und die beiden Wicklungskammerebenen einen Winkel α = 45° bilden.The bottom of each winding chamber, the winding base, is convex, especially circular at the inserted planar section. The location in the winding ground with the largest radius of curvature or the area with the largest radius of curvature in the hot section is the Undulatorachse centered to the axis plane closest. The two sections of a coil are positioned relative to each other so that a planar and comprehensive hot winding chamber at the same axial location in the axial plane twice cross each other skewed and with their closest to the undulator axis closest area come closest, where there the radius of curvature of the winding chamber from the imported section is highest equal to the radius of curvature of the winding chamber of the comprehensive section and the two winding chamber levels form an angle α = 45 °.
Eine Sektion besteht aus einem Ein- und Ausgangsbereich für den Wicklungsdraht auf der Mantelfläche im einen Stirnbereich und aus einer Wicklungsdrahtverbindung auf der Mantelfläche im andern Stirnbereich, dazwischen befindet sich der Wicklungskammerbereich, wobei eine Sektion aus einem Stück ist oder bei kleiner Wicklungskammeranzahl aus den beiden Stirnbereichen oder bei größerer Wicklungskammeranzahl aus den beiden Stirnbereichen und mindestens einem dazwischen liegenden Kammerbereich besteht, wobei die mindestens zwei Sektionsteile über axiale Verbindungselemente sektionsbildend miteinander verbunden sind.A section consists of an input and output region for the winding wire on the lateral surface in one end region and a winding wire connection on the lateral surface in the other end region, between them is the winding chamber region, wherein a section is in one piece or with small number of winding chambers from the two end regions or at a larger number of winding chambers from the two end portions and at least one chamber portion therebetween, wherein the at least two section parts are connected to each other via axial connecting elements forming a section.
Der Wicklungsdraht ist ein normaler elektrischer Leiter oder ein technischer Supraleiter, mit ihm ist eine Sektion unter ständiger, vorgegebener Zugspannung im stets gleichen Wicklungssinn folgendermaßen bewickelt: Ein erstes Stück Wicklungsdraht verläuft vom Wicklungsdrahteingang formschlüssig einliegend über die Mantelfläche zum Wicklungsgrund der ersten Wicklungskammer und unterquert diese formschlüssig einliegend. Er durchschneidet dann den Mantel zur folgenden, zweiten Wicklungskammer zum Wicklungsgrund und ist darin hoch gewickelt. Von dort durchschneidet der Wicklungsdraht den Mantel zur folgenden, dritten Wicklungskammer, verläuft dort zum Wicklungsgrund und unterquert diesen formschlüssig einliegend. Weiter durchschneidet er den Mantel zum Wicklungsgrund der folgenden, vierten Wicklungskammer und ist darin gleichsinnig wie zuvor hoch gewickelt. In dieser Manier bis zur letzten geradzahligen Wicklungskammer, von der aus er, wenn diese die letzte Wicklungskammer ist, hoch gewickelt zur Wicklungsdrahtverbindung führt, oder, wenn die letzte Wicklungskammer eine ungeradzahlige ist, über einen letztmalige Unterquerung in dieser zu der Wicklungsdrahtverbindung fuhrt.The winding wire is a normal electrical conductor or a technical superconductor, with him a section under constant, predetermined tension in always the same winding sense wound as follows: A first piece of winding wire extends from the winding wire entry form fitting incident on the lateral surface to the winding base of the first winding chamber and traverses this form-fitting Inset. It then cuts through the jacket to the next, second winding chamber to the winding base and is wound up high. From there, the winding wire cuts through the jacket to the next, third winding chamber, where it runs to the winding base and traverses it in a positively fitting manner. Further, it cuts the jacket to the winding base of the following, fourth winding chamber and is wound in the same direction as before high. In this manner, up to the last even-numbered winding chamber, from which, if this is the last winding chamber, it leads high wound to the winding wire connection, or, if the last winding chamber is an odd number one winding chamber is, over a last sub-crossing in this leads to the winding wire connection.
Ein zweites Stuck Wicklungsdraht verläuft vom Wicklungsdrahtausgang formschlussig einliegend über die Mantelflache zum Wicklungsgrund der ersten Wicklungskammer und ist darin gleichsinnig wie in den geradzahligen Wicklungskammern hoch gewickelt. Er durchschneidet dann den Mantel zur zweiten Wicklung, überquert diese, durchschneidet dann den Mantel zur dritten Wicklungskammer auf den Wicklungsgrund und ist darin gleichsinnig wie zuvor hoch gewickelt. Dann durchschneidet er den Mantel zur vierten Wicklungskammer, überquert diese, durchschneidet dann den Mantel zur fünften Wicklungskammer auf den Wicklungsgrund und ist darin hoch gewickelt. In dieser Manier bis zur letzten geradzahligen Wicklungskammer, von der aus er die geradzahlige Wicklung überquert und zur Wicklungsdrahtverbindung fuhrt. Die Unter- und Überführungen sowie die Leiteranschlusse und Leiterverbindungen liegen in dem der Undulatorachse abgewandten Bereich der Spulenkorper . Durch die Verbindung der beiden Wicklungsdrahtstucke liegen die Wicklungen elektrisch zueinander in Reihe, erzeugen aber bei Bestromung Magnetfelder, deren aufeinander folgende Magnetfeldachsen entgegengesetzt verlaufen, im Fall der heiischen Sektion entgegengesetzt parallel. Die Wicklungszahl in den Wicklungskammern einer Sektion ist konstant .A second piece of winding wire runs from the winding wire output form fitting lying over the lateral surface to the winding base of the first winding chamber and is wound in the same direction as in the even-numbered winding chambers. It then cuts through the jacket to the second winding, crosses it, then cuts through the jacket to the third winding chamber on the winding base and is wound in the same direction as previously high. Then it cuts through the jacket to the fourth winding chamber, crosses it, then cuts through the jacket to the fifth winding chamber on the winding base and is wound up high. In this manner, until the last even-numbered winding chamber from which it crosses the even-numbered winding and leads to the winding wire connection. The underpasses and overpasses as well as the conductor connections and conductor connections lie in the area of the coil body facing away from the undulator axis. By the connection of the two Wicklungsdrahtstucke the windings are electrically connected to each other in series, but generate when energized magnetic fields whose opposite magnetic field axes are opposite, in the case of the hot section opposite in parallel. The number of turns in the winding chambers of a section is constant.
Des Weiteren sind Mittel vorhanden, mit denen die Betrage der Ströme, die das supraleitende Material in den einzelnen Teil-Undulatoren beaufschlagen, unabhängig voneinander eingestellt werden können, wodurch das resultierende Undulatorfeld, das sich aus der Überlagerung der von den Teil-Undulatoren erzeugten Undulatorfeider ergibt, die Polarisationsrichtung der Synchrotronstrahlung festlegt, wozu ein erster Teilundulator so angeordnet ist, dass dessen erstes Undulator- feld im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Teilchenstroms steht, und ein zweiter Teilundulator so angeordnet ist, dass dessen zweites Undulatorfeld eine von Null verschiedene Komponente sowohl in Richtung des ersten Undulatorfelds als auch in diejenige Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des ersten Undulatorfelds und im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Teilchenstroms steht, aufweist.Furthermore, there are means by which the amounts of currents applied to the superconducting material in the individual sub-undulators can be adjusted independently of each other, whereby the resulting undulator field resulting from the superposition of the undulator field generated by the sub-undulators , determines the polarization direction of the synchrotron radiation, to which a first subundulator is arranged so that its first undulator field is substantially perpendicular to the direction of particle flow, and a second subundulator is arranged so that its second undulator field is a non-zero component both in direction of the first undulator field as well as in the direction which is substantially perpendicular to the direction of the first undulator field and in the direction Substantially perpendicular to the direction of the particle flow has.
Das technische Problem ist die Herstellung eines Undulators und damit die Realisierung der Wicklungen eines solchen Undulators. Insbesondere mit supraleitenden Undulatoren können lokal hohe Magnetfeldstärken und starke Feldgradienten erreicht werden, mit denen ein sicherer Betrieb ohne Degradation und spontanen Übergang von der Supraleitung in die Normalleitung, der Quench-Effekt bzw. das Quenchen, möglich ist. Die in der DE 103 58 225 beschriebene Physik stellt die Aufgabe, einen Undulator aus elektromagnetischen Baukomponenten bereitzustellen, mit dem nur über die Veränderung des Stromes in den das Undulator- magnetfeld erzeugenden Leiterabschnitten und nicht über mechanisch/örtlich bewegte Undulatorbereiche die angestrebte Polarisation des aus dem Undulator emittierten Lichts eingestellt werden kann. Für die die rein lineare, zirkuläre, im Allgemeinen elliptische Polarisierung ist in dem oben zitierten wissenschaftlichen Bericht FZKA 6997 die technische Lösung mit konstruktiven Details der Spulenkörper beschrieben und gezeigt. Dieser planar-helische Undulator kann je nach Stromeinstellung in den beiden Spulen aber nur eine der drei aufgeführten Polarisierungen des emittierten Lichtstrahls mit einer elektrisch eine vollständig um 360° variierbaren Polarisierung der aus ihm emittierten Photonenstrahlung bewirken. Eine abschnittsweise unterschiedliche Polarisierung ist damit technisch nicht zu erreichen.The technical problem is the production of an undulator and thus the realization of the windings of such an undulator. In particular with superconducting undulators locally high magnetic field strengths and strong field gradients can be achieved with which a safe operation without degradation and spontaneous transition from the superconductivity to the normal line, the quenching effect or quenching is possible. The object of the physics described in DE 103 58 225 is to provide an undulator of electromagnetic components, with which the desired polarization of the out of the. Only on the change of the current in the undulator magnetic field generating conductor sections and not on mechanically / locally moving undulator Undulator emitted light can be adjusted. For the purely linear, circular, generally elliptical polarization, the technical solution with design details of the bobbins is described and shown in the above-cited scientific report FZKA 6997. However, depending on the current setting in the two coils, this planar-helical undulator can cause only one of the three polarizations of the emitted light beam with a polarization of the photon radiation emitted from it that is completely variable by 360 °. A sectionally different polarization is therefore technically impossible to achieve.
Aus dieser zwingenden Festlegung nur einer Art der Polarisierung ergibt sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt. Es soll einerseits eine technische Lösung eines planar-helischen Undulators angegeben werden, mit dem ebenfalls entweder nur die lineare oder nur die zirkuläre oder nur die elliptische Polarisierung eingestellt werden kann, andrerseits aber auch die technische Lösung eines planar- helischen Undulators angegeben werden, mit dem der emittierte Lichtstrahl, das Synchrotronlicht aus dem Undulator, abschnittsweise unterschiedlich polarisiert auftritt. Dabei sollen die das Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen des Undulators in bekannter Weise aus e- lektrisch normalleitenden, insbesondere supraleitenden solenoidalen Wicklungen bestehen. Dabei sollen im Falle der Verwendung von Supraleitern die Randbedingungen zur Herstellung von supraleitenden Spulen ebenfalls eingehalten werden; das sind wenigstens: geeignete Supraleiter, geeignete Spulenkörper, elektrische Isolation des Wickelkörpers, Leiterführung in den Wickelkammern, Leiterführung am Spulenein- und -ausgang, Leiterführung in den Überquerungen, Spulenein- und - ausgang, Überstiege, Lorentzkräfte, Quenchsicherheit .From this compelling determination of only one type of polarization results in the task on which the invention is based. On the one hand, a technical solution of a planar-helical undulator is to be specified, with which either only the linear or only the circular or only the elliptical polarization can be set, but also the technical solution of a planar-helical undulator can be specified the emitted light beam, the synchrotron light from the undulator, partially different polarized occurs. In this case, the magnetic field generating devices of the undulator in a known manner from e- lektrisch normalleitenden, especially superconducting solenoidalen Windings exist. In this case, in the case of the use of superconductors, the boundary conditions for the production of superconducting coils are also complied with; at least: suitable superconductors, suitable bobbins, electrical insulation of the bobbin, conductor guidance in the winding chambers, conductor guidance at Spulenein- and output, conductor guidance in the crossings, Spulenein- and output, surges, Lorentz forces, quenching safety.
Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Baustruktur gelöst. Der Boden einer jeden Wicklungskammer ist, von außen gesehen, konvex und die Stelle oder der Bereich im Wicklungsgrund mit dem größten Krümmungsradius liegt der Undulatorachse mittig zur Achsenebene am nächsten und die beiden Sektionen einer Spule haben gleiche Anzahl oder unterschiedliche Anzahlen an Wicklungskammern. Im Fall gleicher Anzahl an Wicklungskammern decken sich die Längsbereiche der beiden Sektionen. Im Fall unterschiedlicher Anzahl ist die Sektion mit der kleineren Anzahl an Wicklungskammern völlig im Längsbereich der längeren Sektion positioniert.The object is achieved by the construction structure described in claim 1. The bottom of each winding chamber is, viewed from the outside, convex and the location or area in the winding base with the largest radius of curvature is closest to the undulator axis centered to the axis plane and the two sections of a coil have equal numbers or different numbers of winding chambers. In the case of the same number of winding chambers, the longitudinal areas of the two sections coincide. In the case of different numbers, the section with the smaller number of winding chambers is completely positioned in the longitudinal region of the longer section.
Im Falle zweier gleich langer Sektionen einer Spule und kreisringförmiger Wicklungskammern der planaren Sektion sowie jeweils konstanter Wicklungszahl in beiden Sektionen ist die planare Sektion um die he- lische Sektion positioniert. Ebenfalls im Falle gleich langer Sektionen einer Spule ist in mindestens einer Sektion einer Spule die Windungszahl in den Wicklungskammern nicht konstant. Sie ändert sich dann aber über die Länge der Sektion zur ihrer Sektionsmitte symmetrisch. Für diesen Fall kann sich die planare Sektion auch in der he- lischen Sektion befinden oder umgekehrt, die planare Sektion umgibt die heiische.In the case of two equally long sections of a coil and annular winding chambers of the planar section and in each case a constant number of windings in both sections, the planar section is positioned around the vertical section. Also, in the case of equally long sections of a coil, the number of turns in the winding chambers is not constant in at least one section of a coil. However, it then changes symmetrically over the length of the section to its section center. In this case, the planar section may also be in the vertical section or vice versa, the planar section surrounds the hot section.
Im Falle zweier ungleich langer Sektionen ist die Windungszahl in den Wicklungskammern konstant oder ist in mindestens einer Sektion der Spule die Windungszahl in den Wicklungskammern nicht konstant, ändert sich aber über die Länge der Sektion zu ihrer Sektionsmitte symmetrisch. Hierbei ist eingeschlossen, dass die kürzere Sektion zusammen- hangend ist und damit aus einem Abschnitt im Langsbereich der langen Sektion besteht. Es können im Langsbereich der langen Sektion auch kurze Sektionen aufeinander folgen, dies aber nur, wenn die lange Sektion im Vergleich zu einer kurzen Sektion sehr lang ist. Bei nur einer kurzen Sektion sind dann drei Polarisierungsabschnitte, und zwar zwei gleiche, die durch einen verschiedenen Polaπsierungsab- schnitt unterbrochen werden, erzeugbar. Bei mehreren kurzen Sektionen ist die Folge gleicher Polarisierung entsprechend der Anzahl kurzer Sektionen durch eine im Allgemeinen andere Polarisierung unterbrochen.In the case of two sections of unequal length, the number of turns in the winding chambers is constant or in at least one section of the coil, the number of turns in the winding chambers is not constant, but changes symmetrically over the length of the section to its section center. This includes that the shorter section is hanging and thus consists of a section in the long section of the long section. Short sections can follow each other in the long section of the long section, but only if the long section is very long compared to a short section. With only one short section, three polarization sections, namely two identical ones, which are interrupted by a different polarization section, can then be generated. With several short sections, the sequence of equal polarization is interrupted according to the number of short sections by a generally different polarization.
Das durch die jeweilige planare Sektion der beiden Spulen des planar- helischen Undulators entlang und um die Undulator-/Strahlachse erzeugbare Magnetfeld, das senkrecht zu dieser Achse steht, hat im Verlauf der Undulatorachse einen periodischen, sinusartigen Verlauf, d.h. zwischen zwei aufeinander folgenden Wicklungskammern liegt ein Magnetfeldmaximum und am Wicklungskammermittelpunkt ist das dort davon erzeugte Magnetfeld null, bzw. dieses Magnetfeld macht dort entlang der Undulatorachse einen Richtungsumkehr. Durch die jeweilige heiische Sektion der beiden Spulen des planar-helischen undulators wird entlang und um die Undulator-/Strahlachse ein Magnetfeld senkrecht zur Strahlachse erzeugt, das einen planaren Anteil des Magnetfeldes hat und damit, wie oben erläutert, periodisch ist, und einen dazu und zur Strahlachse weiteren Feldanteil hat, der entlang der Strahlachse ebenfalls periodisch, jetzt aber cosinusartig verlauft, d.h. zwischen zwei aufeinander folgenden heiischen Wicklungskammern gibt es einen Nulldurchgang und damit ein Richtungswechsel des durch die aufeinander folgenden heiischen Wicklungskammern erzeugten heiischen Feldanteils. Unter Einbeziehung der jeweiligen planaren Magnet- feldanteile an der einen und andern Stirn der beiden planeren und he- lischen Sektionen des Undulators, die jeweils eine 90°-Polarisierung bewirken, wird ersichtlich, dass für eine volle 360°-Polaπsierung die die Anzahl an Wicklungskammern der planaren Sektion >= 2 und die Anzahl der Wicklungskammern der heiischen Sektion ebenfalls >= 2 sein muss. Dabei kann die Anzahl an Wicklungskammern der planaren Sektion aufgrund des sinusförmigen Magnetfeldverlaufs geradzahlig oder unge- radzahlig sein, weil in jedem Fall ein entlang der Strahlachse durch den ündulator fliegendes elektrisch geladenes Teilchen eine vollständige Kompensation/Neutralisierung seiner durch das Undulatormagnet- feld erfahrenen Bahnstörungen erfährt. Für die Anzahl an Wicklungs- kainiiiern der heiischen Sektion besteht die Einschränkung, dass sie wegen des erzeugten cosinusförmigen Magnetfeldverlaufs immer geradzahlig sein muss. Es müssen sich nämlich die Bahnstörungsanteile durch die beiden heiischen Stirnfelder kompensieren/neutralisieren, d.h. diese beiden Feldanteile müssen im Gegensatz zum sinusförmigen Magnetfeldverlauf zueinander entgegen gesetzte Richtung haben, da die Bahnstörungsanteile durch den heiischen Magnetfeldanteil zwischen Ein- und Ausgang des planar-helischen Undulators im Gegensatz zu den Bahnstörungen durch den planaren Feldanteil stets kompensiert/neutralisiert werden, selbst bei einer ungeradzahligen Anzahl. Zur planar-helischen Magnetfeldsituation sei hier auf den oben zitierten wissenschaftlichen Bericht FZKA 6997 des Forschungszentrums Karlsruhe GmbH insbesondere auf das Kapitel 4 hingewiesen, in dem das planar-helische Undulatormagnetfeld ausführlich abgehandelt wird.The magnetic field which can be generated by the respective planar section of the two coils of the planar helical undulator and about the undulator / beam axis, which is perpendicular to this axis, has a periodic, sinusoidal course, ie, between two successive winding chambers in the course of the undulator axis a magnetic field maximum and at the winding chamber center, the magnetic field generated therefrom is zero, or this magnetic field makes there along the Undulatorachse a reversal of direction. Through the respective hot section of the two coils of the planar-helical undulator, a magnetic field perpendicular to the beam axis is generated along and around the undulator / beam axis, which has a planar portion of the magnetic field and thus, as explained above, is periodic, and one to and to the beam axis has further field share, which also along the beam axis periodically, but now cosinus-like, ie between two consecutive hot winding chambers, there is a zero crossing and thus a change in direction of the generated by the successive hot winding chambers hot field component. Taking into account the respective planar magnetic field components on one and the other end of the two planar and hot sections of the undulator, which each cause a 90 ° polarization, it is apparent that for a full 360 ° pole rotation, the number of winding chambers the planar section> = 2 and the number of winding chambers of the hot section must also be> = 2. In this case, the number of winding chambers of the planar section due to the sinusoidal magnetic field characteristic even or uneven be radzahlig, because in any case, along the beam axis through the eterulator flying electrically charged particle undergoes complete compensation / neutralization of its experienced by the undulator magnet field orbit disturbances. The limitation of the number of winding cages of the hot section is that because of the generated cosinusoidal magnetic field, it must always be even. Namely, the trajectory components have to be compensated / neutralized by the two hot forehead fields, ie in contrast to the sinusoidal magnetic field course, these two field components must have opposite directions since the trajectory components are in contrast to the magnetic field component between input and output of the planar-helical undulator to the orbit disturbances are always compensated / neutralized by the planar field portion, even with an odd number. With regard to the planar-helical magnetic field situation, reference is made in particular to Chapter 4 of the scientific report FZKA 6997 of Forschungszentrum Karlsruhe GmbH cited above, in which the planar-helical undulator magnetic field is dealt with in detail.
Der planar-helische Ündulator ist auf zweierlei Weise darstellbar. Nach Anspruch 2 entsteht er durch Klappen der einen ündulatorspule um 180° um die Strahl- bzw. Undulatorachse. Damit wird er durch zwei zu¬ einander identische Spulen mit planarer und heiischer Sektion hergestellt. Die andere Darstellung ist nach Anspruch 3 die zur Undulatorachse symmetrische Lage der einen Spule zur andern. Diese Situation lässt sich aber nicht mehr mit zwei zueinander identischen Spulen sondern nur noch mit zwei gleichartigen jedoch nicht baugleichen Spulen realisieren, weil dann die heiische Sektion in der einen Spule spiegelbildlich zur Spulenachse der andern der andern Spule liegt. Beim Aufbau des planar-helischen Undulators nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 3 ist auf die Bestromung der beiden heiischen Sektion derart zu achten, dass die notwendige Magnetfeldaddition zwischen den beiden Spulen zustande kommt, um einen heiischen Magnetfeldanteil des Undu- latorfeldes zu erhalten. Die gespiegelte heiische Sektion ist zur Erzeugung des Magnetfeldes gegenüber der geklappten heiischen Sektion Anspruch 2 entgegengesetzt vom Strom durchflössen. Anspruch 2 beschreibt die technisch einfachere Lösung zum planar-helischen Undula- tor, da dieser aus zwei zueinander identischen Spulen besteht.The planar-helical transder can be represented in two ways. According to claim 2, it is formed by folding the one ündulatorspule by 180 ° to the beam or undulator axis. He is thus made by two identical to ¬ identical coils with planar and hot section. The other illustration is according to claim 3, the symmetrical to the undulator axis position of a coil to another. However, this situation can not be realized with two identical coils but only with two identical but not identical coils, because then the hot section is in a coil mirror image of the coil axis of the other of the other coil. When constructing the planar-helical undulator according to claim 2 or claim 3, attention must be paid to the energization of the two hot sections so that the necessary magnetic field addition between the two coils is achieved in order to obtain a hot magnetic field component of the inductor field. The mirrored hot section is for generating the magnetic field opposite the folded hot section Claim 2 opposite flows through the stream. Claim 2 describes the technically simpler solution to the planar-helical undulatory tor, since this consists of two identical coils.
Die Positionierung der beiden Spulen des planar-helischen Undulators zueinander kann ebenfalls auf zweierlei Weise geschehen, nämlich nach Anspruch 4 sind die beiden Spulen des Undulators mechanisch nicht miteinander gekoppelt und sind damit einzeln in ihrer Umgebung justiert verankert. Nach Anspruch 5 sind beide Spule unter Aufrechterhaltung eines Durchlassbereichs für den durchtretenden, elektrisch geladenen Teilchenstrahl bzw. den Elektronenstrahl auf Maß mechanisch miteinander gekoppelt, so dass der planar-helische Undulator als Gesamtes bezüglich der Strahlachsenbahn justiert ist.The positioning of the two coils of the planar-helical undulator to each other can also be done in two ways, namely according to claim 4, the two coils of the undulator are mechanically not coupled together and are thus anchored individually adjusted in their environment. According to claim 5, both coils are mechanically coupled together while maintaining a passband for the passing, electrically charged particle beam or the electron beam to measure, so that the planar-helical undulator is adjusted as a whole with respect to the beam axis path.
Nach Anspruch 6 ist das Spulenkörpermaterial dielektrisch und/oder metallisch, wobei ein Spulenkörper je nach Aufbau aus dem einen oder dem andern oder einer Kombination aus Spulenkörperteilen besteht. An dieser Stelle sei wieder auf den wissenschaftlichen Bericht FZKA 6997, insbesondere 4.4.Technische Umsetzung sowie A.4. Technische Zeichnungen, hingewiesen, aus denen beispielhaft konstruktive Details zum Spulenkörper und zur Bewicklung zu entnehmen sind.According to claim 6, the bobbin material is dielectric and / or metallic, wherein a bobbin depending on the structure consists of one or the other or a combination of bobbin parts. At this point, again, the scientific report FZKA 6997, in particular 4.4.Technische implementation and A.4. Technical drawings, pointed out, from which exemplary constructive details to the bobbin and winding can be found.
Nach Anspruch 7 hat der Wicklungsdraht runden, üblicherweise kreisrunden oder rechteckigen Querschnitt mit vorgegebenem Aspektverhältnis. Im letzteren Fall kann der Leiter für die Wicklung in der Wicklungskammer sogar ausgeprägt bandförmig sein. Dabei ist nach Anspruch 8 der Wicklungsdraht elektrisch normal leitend. Nach Anspruch 9 ist eventuell nur der Kontakt am Wicklungseingang, Wicklungsausgang und der Wicklungsdrahtverbindung normal leitend. Eine andere Leiterart ist in Anspruch 10 gekennzeichnet. Danach ist der Wicklungsdraht ein technischer Supraleiter. Hierbei kommen nach Anspruch 11 als technischer Supraleiter ein monolithscher Multifilamentleiter oder ein Seilleiter oder ein Kabelleiter in Betracht, wobei der Supraleiter beispielsweise aus NbTi oder NbXTi oder MgB ist. Nach Anspruch 12 kann auch nur der Kontakt am Wicklungseingang, Wicklungsausgang und der Wicklungsdrahtverbindung supraleitend oder normal leitend sein. Nach Anspruch 13 ist die Wicklung des Wicklungsdrahtes in einer Wicklungskammer mindestens einlagig und mindestens einleiterig. Pro Lage einer Wicklung liegt wenigstens ein Leiter. Bei rein bandförmiger Wicklung (pancake) ist das ohnehin der Fall.According to claim 7, the winding wire has round, usually circular or rectangular cross section with a predetermined aspect ratio. In the latter case, the conductor for the winding in the winding chamber may even be markedly band-shaped. In this case, according to claim 8, the winding wire is electrically normally conductive. According to claim 9, only the contact at the winding input, winding output and the winding wire connection may be normally conductive. Another type of conductor is characterized in claim 10. Thereafter, the winding wire is a technical superconductor. In this case, according to claim 11 as a technical superconductor, a monolithic multifilament conductor or a cable conductor or a cable conductor into consideration, wherein the superconductor is for example of NbTi or NbXTi or MgB. According to claim 12, only the contact at the winding input, winding output and the winding wire connection superconducting or normally conductive. According to claim 13, the winding of the winding wire in a winding chamber is at least single-layered and at least single-conducting. At least one conductor is located per layer of a winding. This is the case anyway with a purely band-shaped winding (pancake).
Für ein ausgeprägtes Undulatormagnetfeld entlang und um die Strahl- /Undulatorachse liegen der Wicklungseingang, -ausgang, die Wicklungsdrahtverbindung, die Unterquerung am Boden der Wicklungskammer und die Überquerung der Wicklung in einer Wicklungskammer in dem der Un- dulatorachse abgewandten Bereich, d.h. die durch die Unter- und Überführung des Wicklungsdrahtes/-bandes beeinflusste Ausbildung des Magnetfelds dort hat keinen Einfluss auf das Undulatormagnetfeld.For a pronounced undulator magnetic field along and around the beam / undulator axis, the winding input, output, winding wire connection, undercrossing at the bottom of the winding chamber, and traversing the winding in a winding chamber are in the region away from the undulator axis, i. the formation of the magnetic field influenced there by the under- and overpass of the winding wire / -band has no influence on the undulator magnetic field.
Nach Anspruch 15 sind die beiden planaren Sektionen im Betrieb vom gleichen Strom I2 durchflössen und die Stromrichtung in den bezüglich der Undulatorachse einander gegenüberliegenden planaren Wicklungen beim Durchdringen der Achsenebene ist gleich. Das wird an besten durch eine elektrisch entsprechende Hintereinanderschaltung der beiden planaren Sektionen erreicht. Entsprechend sind nach Anspruch 16 die beiden heiischen Sektionen im Betrieb vom gleichen Strom Ii durchflössen und die Stromrichtung in den bezüglich der Undulatorachse einander gegenüberliegenden heiischen Wicklungen beim Durchdringen der Achsenebene ist gleich. Eine modifizierte Variante ist dafür in Anspruch 17 beschrieben. Dort sind die beiden heiischen Sektionen im Betrieb vom gleichen Strom Ii durchflössen sind und die Stromrichtung in den bezüglich der Undulatorachse einander gegenüberliegenden heiischen Wicklungen ist beim Durchdringen der Achsenebene entgegengesetzt.According to claim 15, the two planar sections are in operation flowed through by the same current I 2 and the current direction in the relative to the undulator axis opposite planar windings when penetrating the axial plane is the same. This is best achieved by an electrically corresponding series connection of the two planar sections. Accordingly, according to claim 16, the two hot sections in operation flowed through by the same current Ii and the current direction in the respect to the Undulatorachse opposite to each other hot windings when penetrating the axial plane is the same. A modified variant is described in claim 17. There, the two hot sections are in operation flowed through by the same current Ii and the current direction in the respect to the Undulatorachse opposite each other, hot windings is opposite to the penetration of the axial plane.
Wenn eine der beiden Spulen durch Klappung der andern um 180° um die Undulator-/Strahlachse hervorgeht und der planar-helischen Undulator derart konstruiert ist, wird über die Einstellung der beiden Sektionsströme Ii und I2 eine von der jeweiligen Sektionslänge abhängige, im Allgemeinen elliptische Polarisierung der vom Undulator emittier- ten Photonenstrahlung erreicht, wobei die elliptische Polarisierung durch Stromeinstellung zirkulär, bzw. zur einer linearen Polarisierung entartet werden kann. Hat der planar-helisch Undulator einen Bereich bzw. Bereiche mit nur planaren Sektionen, also dort ein rein planarer Undulator ist, wird dort ein Photonenstrahl mit nur linearer Polarisierung erzeugt. Umgekehrt: einen Bereich oder Bereiche mit nur heiischer Sektion erzeugt oder erzeugen einen Photonenstrahl mit im Allgemeinen elliptischer Polarisierung.When one of the two coils emerges from the undulator / beam axis by folding the other through 180 ° and the planar-helical undulator is constructed in this way, the setting of the two section currents Ii and I2 results in a generally elliptical polarization depending on the respective section length emitted by the undulator reaches the photon radiation, wherein the elliptical polarization by current setting circular, or can be degenerate to a linear polarization. If the planar-helical undulator has a region or regions with only planar sections, ie there is a purely planar undulator, a photon beam with only linear polarization is generated there. Conversely, an area or areas with only a hot section will generate or produce a photon beam of generally elliptical polarization.
Wenn eine der beiden Spulen durch Spiegelung der andern an der Ebene durch die Undulator-/Strahlachse, die senkrecht zur Achsenebene ist, hervorgeht und damit zumindest abschnittsweise ein planar-helischer Undulator ist, wird abhangig von der Stromrichtung durch die jeweilige heiische Sektion entweder eine lineare Polarisierung der vom Undulator emittierten Photonenstrahlung oder eine im Allgemeinen elliptische Polarisierung der vom Undulator emittierten Photonenstrahlung erzeugt .If one of the two coils emerges by mirroring the other at the plane through the undulator / beam axis, which is perpendicular to the axial plane, and thus at least partially a planar-helical undulator, depending on the current direction through the respective hot section either a linear Polarization of the photon radiation emitted by the undulator or generates a generally elliptical polarization of the photon radiation emitted by the undulator.
Die sektionsabhangige Polarisierung ist in dem oben zitierten wissenschaftlichen Bericht FZKA 6997 für die Situation gleicher Sektionslangen, innen liegender Planarsektion mit kreisrunden Wicklungskammern und jeweils konstanter Windungszahl in den Wicklungskammern der beiden Sektionen ausfuhrlich beschrieben und damit auf die Abschnitte des planar-helischen Undulators mit beiden Sektionen direkt übertragbar. Abschnitte des planar-helischen Undulators mit nur den beiden planaren Sektionen erzeugen dort Licht mit nur linearer Polarisierung. Umgekehrt: Abschnitte des planar-helischen Undulators mit nur den beiden heiischen Sektionen erzeugen dort Licht mit im Allgemeinen elliptischer Polarisierung.The section-dependent polarization is described in detail in the above-cited scientific report FZKA 6997 for the situation of equal section length, inner planar section with circular winding chambers and constant number of turns in the winding chambers of the two sections and thus directly on the sections of the planar-helical undulator with both sections transferable. Portions of the planar-helical undulator with only the two planar sections generate light with only linear polarization. Conversely, portions of the planar-helical undulator with only the two hot sections produce light of generally elliptical polarization.
Im Gegensatz zum Stande der Technik kann mit diesem planar-helischen Undulator ein Lichtstrahl erzeugt werden, der abhangig von den Sektionslangen und den Sektionsstromen unterschiedliche Polarisierung aufweist, bei gleichen Sektionslangen naturlich nur elliptische Polarisierung im Allgemeinen wie schon im Stande der Technik beschriebenen Fall. Die ungestörte Divergenz des Lichtstrahls aus dem Undulator begrenzt die Undulatorlange insgesamt. Die Erfindung des planar-helischen Undulators mit gleichen oder unterschiedlichen Sektionslangen in den beiden Spulen wird im Folgenden anhand der Zeichnung für den Fall unterschiedlicher Sektionslangen erläutert. Dabei wird insbesondere der Fall der heiischen Sektion mit der, wie erklart, notwendigen geradzahligen Anzahl an Wicklungskammern und der beliebig ganzzahligen Anzahl, wenn nur >= 2, beispielsweise ungeradzahligen Anzahl an Wicklungskammern in der planaren Sektion hervorgehoben. Alle andern möglichen, beanspruchten Bauformen des planar-helischen Undulators lassen sich daraus ersehen. Es werden folgende Figuren vorgestellt:In contrast to the prior art can be generated with this planar-helical undulator, a light beam, which has different polarization depending on the section lengths and the section currents, for the same section lengths, of course, only elliptical polarization in general as already described in the prior art case. The undisturbed divergence of the light beam from the undulator limits the undulator length altogether. The invention of the planar-helical undulator with the same or different section lengths in the two coils is explained below with reference to the drawing for the case of different section lengths. In particular, the case of the hot section with the, as explained, necessary even number of winding chambers and the arbitrary integer number, if only> = 2, for example, odd number of winding chambers highlighted in the planar section. All other possible, claimed designs of the planar-helical undulator can be seen from it. The following figures are presented:
Figur 1 planar-helische Spule mit teilweise umgebender heiischer Sektion;Figure 1 planar helical coil with partially surrounding hot section;
Figur 2 durch Klappung entstandener planar-helischer Undulator; Figur 3 durch Spiegelung entstandener planar-helischer Undulator; Figur 4 planar-helische Spule mit teilweise umgebender planarer Sektion;FIG. 2 shows a planar-helical undulator formed by folding; FIG. 3 shows a planar-helical undulator resulting from reflection; Figure 4 planar helical coil with partially surrounding planar section;
Figur 5 durch Klappung entstandener planar-helischer Undulator; Figur 6 planar-helische Spule mit überlappend umgebender planarer Sektion;FIG. 5 planar helical undulator resulting from folding; FIG. 6 shows a planar-helical coil with an overlapping surrounding planar section;
Figur 7 durch Klappung entstandener planar-helischer Undulator; Figur 8 planar-helischer Undulator Spule mit überlappend umgebender heiischer Sektion;FIG. 7 shows a planar-helical undulator formed by folding; Figure 8 planar-helical undulator coil with overlapping surrounding hot section;
Figur 9 durch Klappung entstandener planar-helischer Undulator; Vor der Figurenbeschreibung wird noch mal auf den wissenschaftlichen Bericht FZKA 6997 des Forschungszentrums Karlsruhe GmbH hingewiesen. Darin insbesondere auf den Abschnitt 4.4 Technische Umsetzung und A.4. Technische Zeichnungen, Seiten 45 und 46. Aus diesen geht die Wickeltechnik mit Über- und Unterfuhrung des Wicklungsdrahtes (Abb. 4.9, der elektrischen Hintereinanderschaltung der bewickelten Wicklungskammer und der Antiparallelitat der Magnetfeldachsen der Magnetfelder aufeinander folgender, bewickelter Wicklungskammern der jeweiligen Sektion einer Spule. Die Gestalt eines planaren und eines heiischen Spulenkorpers geht aus den Abb. 4.10 und Abb. 4.11 sowie den Seiten 45 und 46 hervor. Diese technischen Ausführungen sind bei- spielhaft und unmittelbar übertragbar auf die hier dargestellten pla- nar-helischen Spulen und der daraus zusammenstellbaren planar- helischen Undulatoren, wobei jetzt die Spulenkorper nicht mehr dargestellt werden, sondern nur noch die aus der planaren und heiischen Sektion gebildete planar-helische Spule und schließlich die daraus gebildete Zusammenstellung zum planar-helischen Undulator. Auch ist die Anschluss- und Verbindungstechnik daraus unmittelbar übernommen. Die beiden planaren Sektionen im planar-helischen Undulator liegen bei den beiden identischen planar-helischen Spulen und bei bezüglich der Undulatorachse zueinander spiegelsymmetrischen planar-helischen Spulen elektrisch ebenfalls in Reihe zueinander und sind an eine Steuer- und regelbaren Stromversorgung angeschlossen, ebenso die beiden heiischen Sektionen, so dass die beiden erzeugbaren Magnetfeldanteile entlang und um die Undulator-/Strahlachse unabhängig von einander einstellbar sind. Dadurch ist Magnetfeldaddition und -Subtraktion und Umkehr der Magnetfeldrichtung für das Undulatormagnetfeld bei ortsfesten Undulatorspulen nur über die Stromeinstellung beliebig einstellbar. Die beiden einmal zum planar-helischen Undulator mechanisch justierten Spulen bleiben zueinander in dieser justierten Position. Im Folgenden wird auf die Herstellung des supraleitenden planar-helischen Undulators in verschiedenen Bauvarianten eingegangen, aus denen sofort ohne weiteres weitere Bauvarianten entwickelt werden können.FIG. 9 shows a planar-helical undulator formed by folding; Before the description of the figures we refer again to the scientific report FZKA 6997 of Forschungszentrum Karlsruhe GmbH. In particular, Section 4.4 Technical Implementation and A.4. Technical Drawings, pages 45 and 46. From these, the winding technique with over- and unterfuhrung the winding wire (Fig. 4.9, the electrical series connection of the wound winding chamber and the anti-parallelism of the magnetic field axes of the magnetic fields of successive, wound winding chambers of the respective section of a coil The shape of a planar and a hot coil body is shown in Fig. 4.10 and Fig. 4.11 and on pages 45 and 46. These technical versions are playfully and directly transferable to the planar-helical coils shown here and the planar-helical undulators which can be assembled from them, whereby now the coil bodies are no longer shown, but only the planar-helical coil formed from the planar and the hot section and finally the from this formed compilation to the planar-helical undulator. Also, the connection and connection technology is taken directly from it. The two planar sections in the planar-helical undulator are in the two identical planar-helical coils and in relation to the Undulatorachse mirror-symmetrical planar helical coils electrically also in series with each other and are connected to a controllable and controllable power supply, as the two hot sections such that the two magnetic field components which can be generated are adjustable independently of one another along and around the undulator / beam axis. As a result, magnetic field addition and subtraction and reversal of the magnetic field direction for the undulator magnetic field with stationary undulator coils can be set as desired only via the current setting. The two coils mechanically adjusted to the planar-helical undulator remain in this adjusted position. In the following, the preparation of the superconducting planar-helical undulator in various construction variants will be discussed, from which further construction variants can be readily developed without further ado.
Figur 1 stellt die planar-helische Spule dar, bei der die heiische Sektion die planare umgibt. Die planare Sektion besteht aus 11, also ungeradzahlig, axial aneinander gereihten kreisrmgformigen Wicklungen, die innerhalb ihres Langsbereichs nicht axialmittig von der hellsehen Sektion aus 4 axial aneinander gereihten, elliptisch ringförmigen Wicklungen umgeben ist. Die planare Sektion ist langer als die umgebend heiische, beide sind damit nicht langenidentisch. Axial haben die Wicklungen beider Sektionen den gleichen Wicklungsabstand und der heiische Wicklungsbereich bzw. die beiden heiischen Wicklungsbereiche mit dem größten Krümmungsradius kommt, bzw. kommen dem Wicklungsbereich der zugeordneten planaren Wicklung am nächsten. Es be- stehen hier lediglich 4 planar-helische Wicklungskammer- bzw. Wicklungspaare bei der Spule.Figure 1 illustrates the planar helical coil in which the hot section surrounds the planar one. The planar section consists of 11, ie odd, axially juxtaposed kreisrmgformigen windings, which is not axially within its long range of the clairvoyance section of 4 axially juxtaposed, elliptical annular windings surrounded. The planar section is longer than the surrounding hot, both are not long identical. Axially, the windings of both sections have the same winding spacing and the hot winding area or the two hot winding areas with the largest radius of curvature come closest to the winding area of the associated planar winding. It is here are only 4 planar-helical Wicklungskammer- or winding pairs in the coil.
Figur 2 zeigt den aus zwei identischen Spulen gemäß Figur 1 zusammengestellten planar-helischen Undulator, also Klappung der einen Spule 180° um die Undulatorachse erzeugt die andere Spule. Beide Spulen mit ihrer jeweils nicht langenidentischen planaren und heiischen Sektion sind baugleich. Figur 3 zeigt den aus zwei bezuglich der Undulatorachse zueinander spiegelsymmetπschen Spulen zusammengestellten pla- nar-helischen Undulator. Beide Spulen mit ihrer jeweils nicht langenidentischen planaren und heiischen Sektion sind nicht mehr baugleich. Die entlang der Undulatorachse fliegenden elektrisch geladenen Teilchen, Elektronen üblicherweise, emittieren im um und entlang der Undulatorachse vorhandenen Magnetfeldmagnetfeld Licht, einfarbiges, bzw. schmalbandiges Rontgenlicht, das Undulatorlicht , in Teilchen- bahnrichtung mit abschnittsweise unterschiedlicher Polarisierung, und zwar, treten die Elektronen von im Bild links m den Undulator ein, zunächst eine rein lineare Polarisierung in dem zuerst durchfliegenden, frei stehenden planaren Abschnitt, dann eine im Allgemeinen elliptische Polarisierung in dem zusammenfallenden planar-helischen Abschnitt und schließlich wieder exne rein lineare Polarisierung in dem planaren Abschnitt rechts im Bild. Es wird also Undulatorlicht mit abschnittsweise unterschiedlicher Polarisierung erzeugt. Die Polari- sierungsabschnitte werden von der Geschwindigkeit/Energie (siehe beispielsweise die Gleichungen 2.11 bis 2.13 in dem wissenschaftlichen Bericht FZK 6997) der durchfliegenden Elektronen und der Lange der frei liegenden planeren Sektionen und der Lange der tatsachlich planar-helischen Sektion, d.h. der Ausbildung des zur Undulatorachse und im Bereich derselben senkrechten Magnetfelds, bestimmt/festgelegt. (Figur 2 in der DE 103 58 225 zeigt den planar-helischen Undulator mit zwei identischen Spulen, bei denen die planare und heiische Sektion gleiche Anzahl an Wicklungskammern und auch Wicklungen haben und die planare Sektion von der heiischen deckungsgleich umgeben ist. Die planare und heiische Sektion sind dort langenidentisch. ) Figur 3 stellt die planar-helische Spule dar, bei der die heiische Sektion ebenfalls die planare umgibt. Die planare Sektion besteht aus 7 axial aneinander gereihten kreisringformigen Wicklungen, die innerhalb ihres Langsbereichs nicht axialmittig von der heiischen Sektion aus 10 axial aneinander gereihten, elliptisch ringförmigen Wicklungen umgeben ist. Die planare Sektion ist hier kürzer als die umgebend he- lische, beide sind damit ebenfalls nicht langenidentisch. Axial haben die Wicklungen beider Sektionen auch den gleichen Wicklungsabstand und der heiische Wicklungsbereich bzw. die beiden heiischen Wicklungsbereiche mit dem größten Krümmungsradius kommt, bzw. kommen dem Wicklungsbereich der zugeordneten planaren Wicklung am nächsten. Es bestehen hier allerdings 7 planar-helische Wicklungskammer- bzw. Wicklungspaare bei der Spule. Die heiische Sektion der Spule überragt hier die planare beidseitig. Der planar-helische Undulator kommt in beschriebener Weise durch Klappung um 180° um die ündulatorachse zustande und besteht damit aus zwei baugleichen Spulen (Figur 5), oder durch Spiegelung der einen Spule an der Ündulatorachse und besteht damit aus zwei sektionsgleichen jedoch nicht baugleichen Spulen. Letzteres ist nicht mehr dargestellt, kann aber entsprechend aus Figur 3 ersehen werden. In diesem Undulator wird durch die durchfliegenden elektrischen Ladungsträger/Elektronen ein Lichtstrahl tangential zur Elektronenstrahlachse erzeugt, der in Folge Abschnitte mit elliptischer, dann elliptischer oder linearer und dann elliptischer Polarisierung auftritt. Die elliptische Polarisierung kann speziell auch zirkulär sein.FIG. 2 shows the planar helical undulator composed of two identical coils according to FIG. 1, that is to say folding of one coil 180 ° about the undulator axis produces the other coil. Both coils with their respective non-identical planar and hot sections are identical. FIG. 3 shows the planar helical undulator composed of two coils which are relative to one another with respect to the undulator axis. Both coils with their respective non-identical planar and hot sections are no longer identical. The electrically charged particles flying along the undulator axis, usually electrons, emit light in the magnetic field around and along the undulator axis, monochromatic or narrow-band X-ray light, the undulator light, in the particle path direction with sections of different polarization, namely, the electrons from At the left side of the undulator, first a purely linear polarization in the first flying through, free-standing planar section, then a generally elliptical polarization in the coincident planar-helical section and finally again pure linear polarization in the planar section on the right. Thus, undulator light is generated with sections of different polarization. The polarization sections are determined by the velocity / energy (see, for example, equations 2.11 to 2.13 in the FZK 6997 scientific report) of the passing electrons and the length of the exposed planar sections and the length of the actually planar-helical section, ie the formation of the to the undulator axis and in the same vertical magnetic field, determined / fixed. (Figure 2 in DE 103 58 225 shows the planar-helical undulator with two identical coils, in which the planar and the hot section have the same number of winding chambers and also windings and the planar section is surrounded by the hot congruent ones Section 3 there are long identical.) Figure 3 represents the planar helical coil in which the hot section also surrounds the planar one. The planar section consists of 7 axially juxtaposed kreisringformigen windings, which is not axially within their Langsbereichs surrounded by the hot section of 10 axially juxtaposed, elliptical annular windings. The planar section is shorter here than the surrounding one, so both are not long identical either. Axially, the windings of both sections also have the same winding spacing and the hot winding area or the two hot winding areas with the greatest radius of curvature come closest to the winding area of the associated planar winding. However, there are 7 planar-helical Wicklungskammer- or winding pairs in the coil here. The hot section of the coil overhangs the planar bilateral. The planar-helical undulator comes in the manner described by folding by 180 ° about the ündulatorachse and thus consists of two identical coils (Figure 5), or by mirroring a coil on the Ündulatorachse and thus consists of two identical but not identical coils. The latter is no longer shown, but can be seen from Figure 3 accordingly. In this undulator, a light beam is generated tangentially to the electron beam axis by the flying electrical charge carriers / electrons, which occurs in sequence sections with elliptical, then elliptical or linear and then elliptical polarization. The elliptical polarization may also be circular in particular.
Figur 6 stellt die planar-helische Spule dar, bei der die heiische Sektion von der planaren umgeben ist. Die planare Sektion besteht hier aus 7 axial aneinander gereihten elliptisch ringförmigen Wicklungen bzw. aus Wicklungskammern mit elliptischem Wicklungsgrund, die nicht axialmittig innerhalb des Langsbereichs die heiische Sektion aus hier 10 axial aneinander gereihten, ebenfalls elliptisch ringförmigen Wicklungen liegt. Die planare Sektion ist kurzer als die innen liegend heiische. Auch hier sind beide Sektionen der Spule nicht längenidentisch. Axial haben die Wicklungen beider Sektionen den gleichen Wicklungsabstand, und der heiische Wicklungsbereich bzw. die beiden heiischen Wicklungsbereiche mit dem größten Krümmungsradius kommt, bzw. kommen dem Wicklungsbereich der zugeordneten planaren Wicklung mit dem ebenfalls größten Krümmungsradius am nächsten. Es bestehen hier 7 planar-helsiche Wicklungskammer- bzw. Wicklungspaare bei der Spule. Der daraus gebildete planar-helsiche Undulator gemäß Figur 7 kommt auch hier in den beiden oben beschriebenen Weisen durch zwei baugleiche (Klappung um 180°) Spulen zustande. (Die ebenfalls mögliche Erzeugung des Undulators durch Spiegelung wird für diesen Fall nicht mehr dargestellt.) In diesem Undulator wird durch die durchfliegenden elektrischen Ladungsträger/Elektronen ein Lichtstrahl tangential zur Elektronenstrahlachse erzeugt, der in Folge Abschnitte mit elliptischer, dann elliptischer oder linearer und dann elliptischer Polarisierung auftritt. Die elliptische Polarisierung kann wiederum speziell auch zirkulär sein.Figure 6 illustrates the planar helical coil in which the hot section is surrounded by the planar one. The planar section here consists of 7 axially lined elliptical annular windings or winding chambers with elliptical winding ground, which is not axially centered within the Langsbereichs the hot section of here 10 axially juxtaposed, also elliptical annular windings. The planar section is shorter than the inside lying hot. Again, both sections of the coil are not identical in length. Axial the windings of both sections have the same winding distance, and the hot winding area or the two hot winding areas with the largest radius of curvature comes, or come to the winding area of the associated planar Winding with the largest radius of curvature also next. There are 7 planar-winding winding chamber or winding pairs in the coil. The planar-undulating undulator according to FIG. 7 formed therefrom also comes about here in the two manners described above by two identically constructed coils (folding by 180 °). (The likewise possible generation of the undulator by reflection is no longer represented in this case.) In this undulator, a light beam is generated tangentially to the electron beam axis by the electric charge carriers / electrons passing through, which in turn result in sections with elliptical, then elliptical or linear and then elliptical Polarization occurs. The elliptical polarization can again be especially circular.
Figur 8 schließlich stellt die planar-helische Spule dar, bei der die heiische Sektion von der planaren umgeben ist. Jetzt besteht die pla- nare Sektion aus 9 axial aneinander gereihten elliptischen oder kreisringformigen Wicklungen bzw. aus Wicklungskämmern mit elliptischem Wicklungsgrund, die nicht axialmittig den Langsbereich der he- lischen Sektion aus 4 axial aneinander gereihten, ebenfalls elliptisch ringförmigen Wicklungen beidseitig axial überlappen. Die plana- re Sektion ist langer als die innen liegend heiische. Beide Sektionen der Spule sind nicht langenidentisch. Axial haben die Wicklungen beider Sektionen den gleichen Wicklungsabstand, und der heiische Wicklungsbereich bzw. die beiden heiischen Wicklungsbereiche mit dem größten Krümmungsradius kommt, bzw. kommen dem Wicklungsbereich der zugeordneten planaren Wicklung mit dem ebenfalls größten Krümmungsradius am nächsten. Es bestehen hier wiederum 4 planar-helische Wicklungskammer- bzw. Wicklungspaare bei der Spule. Der planar-helische Undulator kommt auch hier in den beiden oben beschriebenen Weisen durch zwei baugleiche oder zwei bauverschiedene Spulen zustande. Dargestellt in Figur 9 ist nur die Erzeugung des Undulators durch 180°- Klappung. In diesem Undulator wird durch die durchfliegenden elektrischen Ladungsträger/Elektronen ein Lichtstrahl tangential zur Elektronenstrahlachse erzeugt, der in Folge Abschnitte mit linearer, dann einstellbar elliptischer oder linearer und dann planarer Polarisie- rung auftritt. Die einstellbar elliptische Polarisierung kann speziell auch zirkulär sein.Finally, FIG. 8 illustrates the planar helical coil in which the hot section is surrounded by the planar one. The planar section now consists of 9 elliptical or annular windings arranged axially adjacent to each other or of winding hammers with an elliptical winding base which do not axially axially overlap the longitudinal region of the vertical section of 4 axially aligned, likewise elliptically annular windings on both sides. The planar section is longer than the internal one. Both sections of the coil are not long identical. Axially, the windings of both sections have the same winding spacing, and the hot winding area or the two hot winding areas with the largest radius of curvature come closest to the winding area of the associated planar winding with the largest radius of curvature. Again, there are 4 planar-helical Wicklungskammer- or winding pairs in the coil. The planar-helical undulator also comes here in the two ways described above by two identical or two bauverschiedene different coils. Shown in Figure 9 is only the generation of the undulator by 180 ° - folding. In this undulator, a light beam is generated tangentially to the electron beam axis by the electric charge carriers / electrons passing through, which consequently results in sections with linear, then adjustable elliptical or linear and then planar polarization. occurs. The adjustable elliptical polarization can also be circular in particular.
Mit einem bezüglich der baulichen Periodenlange λb, sehr langen Spule kann ein planar-helischer Undulator gebaut werden, einen Lichtstrahl mit mehr als 2 Abschnitten reiner linearer oder reiner elliptischer Polarisierung, abhangig von der Spulenbauweise, zu erzeugen. Siehe oben Kommentar zu mehreren, axial aufeinander folgenden kleinen Sektionen im Langenbereich einer sehr langen Sektion. Im Langenbereich der sehr langen planaren Sektion beispielsweise befanden sich dann mehr als zwei heiische Sektionen oder umgekehrt, eigentlich eine axiale Folge von mehr als zwei planar-helische Undulatoren - eine technisch aufwendige Einrichtung. Eine naturliche Beschrankung der gesamten Undulatorlange liegt in der Divergenz des in ihm, insbesondere im Anfangsbereich erzeugten Lichtstrahls. With a very long coil with respect to the structural period λ b , a planar-helical undulator can be built to produce a light beam with more than 2 sections of pure linear or pure elliptical polarization, depending on the coil design. See above for a comment on several axially successive small sections in the long range of a very long section. In the long range of the very long planar section, for example, there were then more than two hot sections or vice versa, actually an axial sequence of more than two planar-helical undulators - a technically complex device. A natural limitation of the entire undulator length lies in the divergence of the light beam generated in it, in particular in the initial region.

Claims

Patentansprüche claims
1. Planar-helischer Undulator zur elektrisch vollständig um 360° variierbaren Polarisierung der aus ihm emittierten Photonenstrahlung, der folgendermaßen aufgebaut ist:1. Planar-helical undulator for fully electrically variable by 360 ° polarization of the emitted photon radiation, which is constructed as follows:
zwei gleichartige Spulen liegen sich bezuglich der Undulatorach- se, die im Einbau ein Teil der Synchrotronstrahlachse bildet, a- quidistant gegenüber und haben gleichen Abstand zur Undulatorach- se, die beiden Spulenachsen und die Undulatorachse sind parallel zueinander und liegen in einer Ebene, der Achsenebene,With reference to the undulator axis, which forms part of the synchrotron beam axis during installation, two identical coils are equidistantly opposite each other and have the same distance from the undulator axis. The two coil axes and the undulator axis are parallel to one another and lie in one plane, the axial plane .
eine Spule besteht aus zwei Sektionen, einer heiischen und einer planaren Sektion, die zueinander positioniert sind, jede Sektion hat m Wicklungskammern untergebrachte Wicklungen,a coil consists of two sections, a hot and a planar section, which are positioned to each other, each section has windings accommodated in winding chambers,
die Wicklungskammern und damit die Wicklungen in beiden Sektionen folgen in einem gleichen Abstand λb, aufeinander,the winding chambers and thus the windings in both sections follow one another at the same distance λ b ,
die Wicklungen einer Sektion liegen elektrisch in Reihe zueinander, erzeugen bei Bestromung im Fall der planaren Sektion aufeinander folgend jeweils eine zur vorherigen oder nachfolgenden Magnetfeldachse entgegen gesetzten Magnetfeldachse, im Fall der heiischen Sektion aufeinander folgend jeweils eine zur vorherigen oder nachfolgenden Magnetfeldachse entgegen gesetzten parallelen Magnetfeldachse,the windings of a section are electrically connected in series with one another, in the case of the planar section sequentially generate a respective magnetic field axis opposite the previous or following magnetic field axis, in the case of the hot section consecutively one parallel magnetic field axis opposite to the previous or subsequent magnetic field axis,
dadurch gekennzeichnet, dass:characterized in that:
der Boden einer jeden Wicklungskammer von außen gesehen konvex ist und die Stelle oder der Bereich im Wicklungsgrund mit dem größten Krümmungsradius liegt der Undulatorachse mittig zur Achsenebene am nächsten,the bottom of each winding chamber seen from the outside is convex and the location or the area in the winding base with the largest radius of curvature is the Undulatorachse centered to the axis plane closest,
die beiden Sektionen einer Spule gleiche Anzahl oder unterschied- liehe Anzahlen an Wicklungskammern haben und im Fall gleicher Anzahl an Wicklungskammern sich die Längsbereiche der beiden Sektionen decken und im Fall unterschiedlicher Anzahl die Sektion mit der kleineren Anzahl an Wicklungskammern völlig im Längsbereich der längeren Sektion positioniert ist,the two sections of a coil equal number or different have lew numbers of winding chambers and in the case of the same number of winding chambers, the longitudinal regions of the two sections cover and in the case of different numbers, the section with the smaller number of winding chambers is completely positioned in the longitudinal region of the longer section,
im Falle gleich langer Sektionen einer Spule und kreisringförmiger Wicklungskammern der planaren Sektion sowie konstanter Wicklungszahl in beiden Sektionen die planare Sektion um die heiische Sektion positioniert ist,in the case of equally long sections of a coil and annular winding chambers of the planar section and a constant number of turns in both sections, the planar section is positioned around the hot section,
sich im Falle gleich langer Sektionen einer Spule in mindestens einer Sektion einer Spule die Windungszahl in den Wicklungskammern nicht konstant ist und sich über die Länge der Sektion zur ihrer Sektionsmitte symmetrisch ändert,in the case of equally long sections of a coil in at least one section of a coil, the number of turns in the winding chambers is not constant and changes symmetrically over the length of the section to its section center,
sich im Falle ungleich langer Sektionen die Windungszahl in den Wicklungskammern konstant ist oder sich in mindestens einer Sektion der Spule die Windungszahl in den Wicklungskammern nicht konstant ist und sich über die Länge der Sektion zu ihrer Sektionsmitte symmetrisch ändert,in the case of sections of unequal length, the number of turns in the winding chambers is constant or in at least one section of the coil the number of turns in the winding chambers is not constant and changes symmetrically over the length of the section to its section center,
die Anzahl an Wicklungskammern der planaren Sektion >= 2 ist und die Anzahl der Wicklungskammern der heiischen Sektion einer Spule >= 2 und geradzahlig ist.the number of winding chambers of the planar section> = 2 and the number of winding chambers of the hot section of a coil> = 2 and even.
2. Undulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Spule durch Klappen um 180° um die Undulatorachse aus der andern hervorgeht2. undulator according to claim 1, characterized in that the one coil by flaps by 180 ° around the undulator axis emerges from the other
3. Undulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Spulen zueinander spiegelbildlich zur Undulatorachse liegen. 3. undulator according to claim 1, characterized in that both coils are mutually mirrored to the undulator axis.
4. Undulator nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen des Undulators mechanisch nicht miteinander gekoppelt sind.4. undulator according to claims 2 and 3, characterized in that the two coils of the undulator are mechanically not coupled together.
5. Undulator nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen des Undulators mechanisch miteinander gekoppelt sind.5. undulator according to claims 2 and 3, characterized in that the two coils of the undulator are mechanically coupled together.
6. Undulator nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenkörpermaterial dielektrisch oder metallisch ist und ein Spulenkörper je nach Aufbau aus dem einen oder dem andern oder einer Kombination aus Spulenkörperteilen besteht.6. undulator according to claims 4 and 5, characterized in that the bobbin material is dielectric or metallic and a bobbin depending on the structure consists of one or the other or a combination of bobbin parts.
7. Undulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsdraht runden oder rechteckigen Querschnitt mit vorgegebenem Aspektverhältnis hat oder bandförmig ist.7. undulator according to claim 6, characterized in that the winding wire has round or rectangular cross section with a predetermined aspect ratio or band-shaped.
8. Undulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsdraht elektrisch normal leitend ist.8. undulator according to claim 7, characterized in that the winding wire is electrically normally conductive.
9. Undulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das der Kontakt am Wicklungseingang, Wicklungsausgang und der Wicklungsdrahtverbindung normal leitend ist.9. undulator according to claim 8, characterized in that the contact at the winding input, winding output and the winding wire connection is normally conductive.
10. Undulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsdraht ein technischer Supraleiter ist.10. undulator according to claim 7, characterized in that the winding wire is a technical superconductor.
11. Undulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der technische Supraleiter ein monolithscher Multifilamentleiter oder ein Seilleiter oder ein Kabelleiter ist, wobei der Supraleiter aus NbTioder NbXTi oder MgB ist.11. An undulator according to claim 10, characterized in that the technical superconductor is a monolithic multifilament conductor or a cable conductor or a cable conductor, wherein the superconductor of NbTi is NbXTi or MgB.
12. Undulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das der Kontakt am Wicklungseingang, Wicklungsausgang und der Wicklungs- drahtverbindung supraleitend oder normalleitend ist.12. undulator according to claim 11, characterized in that the contact at the winding input, winding output and the winding wire connection is superconducting or normal conducting.
13. Undulator nach den Ansprüchen 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung des Wicklungsdrahtes in einer Wicklungskämmer mindestens einlagig und mindestens einleiterig ist.13. undulator according to claims 9 and 12, characterized in that the winding of the winding wire in a Wicklungskämmer is at least single-layered and at least one-start.
14. Undulator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungseingang, -ausgang, die Wicklungsdrahtverbindung, die Un- terquerung am Boden der Wicklungskammer und die Überquerung der Wicklung in einer Wicklungskammer in dem der Undulatorachse abgewandten Bereich liegen.14. An undulator according to claim 13, characterized in that the winding input, output, the winding wire connection, the bottom under the bottom of the winding chamber and the crossing of the winding in a winding chamber in the Undulator axis facing away area.
15. Undulator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden planaren Sektionen im Betrieb vom gleichen Strom I2 durchflössen sind und die Stromrichtung in den bezüglich der Undulatorachse einander gegenüberliegenden planaren Wicklungen beim Durchdringen der Achsenebene gleich ist.15. undulator according to claim 14, characterized in that the two planar sections are flowed through in operation by the same current I2 and the current direction in the respect to the undulator axis opposite planar windings when penetrating the axial plane is the same.
16. Undulator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden heiischen Sektionen im Betrieb vom gleichen Strom Ii durchflössen sind und die Stromrichtung in den bezüglich der Undulatorachse einander gegenüberliegenden heiischen Wicklungen beim Durchdringen der Achsenebene gleich ist.16. undulator according to claim 14, characterized in that the two hot sections are flowed through in operation by the same current Ii and the current direction in the respect to the undulator axis opposite each other hot coils when passing through the axial plane is the same.
17. Undulator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden heiischen Sektionen im Betrieb vom gleichen Strom Ii durchflössen sind und die Stromrichtung in den bezüglich der Undulatorachse einander gegenüberliegenden heiischen Wicklungen beim Durchdringen der Achsenebene entgegengesetzt ist.17 undulator according to claim 14, characterized in that the two hot sections are flowed through during operation of the same current Ii and the current direction in the relative to the undulator axis opposite to each other hot windings when penetrating the axial plane.
18. Undulator nach den Ansprüchen 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Spulen durch Klappung der andern um 180° um die Undulator-/Strahlachse hervorgeht und damit ein planar- helischen Undulator ist, mit dem eine elliptische Polarisierung der vom Undulator emittierten Photonenstrahlung über die beiden Ströme Ii und I2 eingestellt wird.18. An undulator according to claims 15 and 16, characterized in that one of the two coils emerges by folding the other by 180 ° to the undulator / beam axis and thus is a planar helical undulator, with an elliptical polarization emitted by the undulator Photon radiation over the two Currents Ii and I 2 is set.
19. Undulator nach den Ansprüchen 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Spulen durch Spiegelung der andern an der Ebene durch die Undulator-/Strahlachse, die senkrecht zur Achsenebene ist, hervorgeht und damit ein planar-helischer Undulator ist, mit dem eine lineare Polarisierung der vom Undulator emittierten Photonenstrahlung über die beiden Ströme Ii und I2 eingestellt wird.19. undulator according to claims 15 and 16, characterized in that one of the two coils by mirroring the other at the level by the undulator / beam axis, which is perpendicular to the axial plane, emerges and thus is a planar-helical undulator with the a linear polarization of the emitted from the undulator photon radiation on the two currents Ii and I 2 is set.
20. Undulator nach den Ansprüchen 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Spulen durch Spiegelung der andern an der Ebene durch die Undulator-/Strahlachse, die senkrecht zur Achsenebene ist, hervorgeht und damit ein planar-helischer Undulator ist, mit dem eine elliptische Polarisierung der vom Undulator e- mittierten Photonenstrahlung über die beiden Ströme Ii und I2 eingestellt wird. 20. undulator according to claims 15 and 17, characterized in that one of the two coils by mirroring the other at the level by the undulator / beam axis, which is perpendicular to the axial plane, emerges and thus is a planar-helical undulator with the an elliptical polarization of the photon radiation emitted by the undulator is set via the two currents Ii and I 2 .
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