EP2198432B1 - Chopper für einen teilchenstrahl - Google Patents

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EP2198432B1
EP2198432B1 EP08801331A EP08801331A EP2198432B1 EP 2198432 B1 EP2198432 B1 EP 2198432B1 EP 08801331 A EP08801331 A EP 08801331A EP 08801331 A EP08801331 A EP 08801331A EP 2198432 B1 EP2198432 B1 EP 2198432B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chopper
control element
guide element
particle beam
control
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.)
Active
Application number
EP08801331A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2198432A1 (de
Inventor
Walter Renftle
Hans Kämmerling
Michael Prager
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich 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 Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP2198432A1 publication Critical patent/EP2198432A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2198432B1 publication Critical patent/EP2198432B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
    • G21K1/04—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using variable diaphragms, shutters, choppers
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
    • G21K1/04—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using variable diaphragms, shutters, choppers
    • G21K1/043—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using variable diaphragms, shutters, choppers changing time structure of beams by mechanical means, e.g. choppers, spinning filter wheels

Definitions

  • a chopper is an element that has both particle-beam transmissive and particle-beam impermeable regions. When the chopper is moved through the particle beam, mutually permeable and impermeable regions pass through the particle beam so that the particle beam is modulated.
  • peripheral speeds of about 300 m / s are required.
  • the document discloses both designed as solid disks and spoke-shaped segmented chopper to achieve such rotational speeds.
  • a chopper for a particle beam has been developed.
  • This chopper is characterized by at least one annular, in particular annular, guide element and by at least one control element for the particle beam, which is mounted against the guide element such that at least one point on the control element is able to circulate along a circumference of the guide element.
  • a guide element in the sense of this invention is understood to be an element which imposes one or more constraints on the movement of the control element.
  • the guide element should therefore at least be designed and / or fixed in space such that a movement of the control element during operation of the chopper does not trigger any movement of the guide element.
  • a control element is understood to be any element which has at least one region which is able to attenuate the intensity of the particle beam. In particular, this region can be completely impermeable to the particle beam. If the control is moved by the particle beam, the intensity of the particle beam can be modulated.
  • the invention expressly includes a chopper wheel as a control element, wherein this may be formed as a solid disc or spoke-shaped segmented and wherein also a bearing can be present on a rotation axis.
  • a chopper wheel as a control element, wherein this may be formed as a solid disc or spoke-shaped segmented and wherein also a bearing can be present on a rotation axis.
  • an existing chopper can be retrofitted with the storage according to the invention along a circumference.
  • the benefits according to the invention then likewise come into play, in that for compensation of a given disturbance moment the bearing must apply less force along the circumference than the bearing on an axis of rotation and that altogether higher bearing forces can be exerted on the control element.
  • the lever with which disturbance torques can attack the bearing advantageously shortened.
  • a given disturbance torque acts with a lower force on the bearing than when stored on a rotation axis according to the prior art.
  • the danger is reduced that the bearing will be destroyed and the control or parts thereof fly away uncontrolled, for example, when the movement of the control is stopped abruptly by a foreign body.
  • a rotary axis is unnecessary altogether.
  • various shapes for the control are possible. It may, for example, annular, in particular annular, be formed.
  • the control can be arranged concentrically to the guide element.
  • the effect on the particle beam can be achieved even with a single control element, which is just large enough to attenuate the particle beam at a point of rotation around the circumference of the guide element.
  • a control can be composed, which is able to circulate as a whole around the circumference of the guide member. This control can, for example, occupy all or part of the circumference of the guide element.
  • the individual control elements can then be replaced independently of one another.
  • the connection of the individual control elements can be elastic or solid.
  • Such shapes of the control can have a considerably lower weight than prior art chopper wheels. This weight also only grows linearly with the size of the control. Since the decisive for the maximum achievable modulation frequency peripheral speed is the product of speed and scope, the largest possible extent of the control is advantageous.
  • the weight is proportional to the area and thus grows quadratically with the circumference.
  • the invention significantly lower weight in turn causes per unit bearing force, which on the control can be exercised, a higher peripheral speed and thus a higher modulation frequency can be achieved.
  • the lower weight improves the reliability of the chopper in two ways: it leads to a lower stress of the control by the centrifugal forces, so that the risk is reduced that this tears.
  • the fragments In the unlikely event of tearing, the fragments also have a much lower mass and thus kinetic energy, so that a much lower effort for an enclosure must be driven, which protects the environment from such fragments.
  • the lower weight also increases the natural frequencies of the control element so that they are advantageously no longer in the range of the circulating frequencies around the circumference of the guide element.
  • annular shape of the control affects yet another advantageous manner. Only the guide element and the control must be in vacuum, but not the entire area bounded by these elements. It is thus sufficient if a tubular region which encloses the control and the guide element is kept under vacuum. In particular, this region can be arranged between an inner diameter that is smaller than the inner diameter of the control element and an outer diameter that is greater than the outer diameter of the guide element. This dramatically reduces the volume to be vacuumed. The cost of pump power and time for the production of this vacuum is reduced considerably.
  • the ring shape of the guide element according to the invention is not fixed to the circular ring shape.
  • Other annular designs, such as ellipses, may be advantageous, for example, if the chopper is to be adapted to tight spatial conditions of an already existing experimental setup.
  • control element has at least one region which is reflective for the particle beam.
  • a graphite monocrystal is suitable for a neutron beam. Then the portion of the particle beam not transmitted by the chopper can be used for another experiment. But he can also be led by another chopper. If both branches of the particle beam are combined, the result is modulated at a higher frequency than a single chopper could
  • control element has at least one helical bore. At a given velocity of revolution, only particles within a narrow velocity window can then pass the control.
  • the chopper then not only modulates the intensity of the particle beam, but also simultaneously selects the particles of the beam according to their velocity and thus their energy and momentum.
  • chopper and speed selector are advantageously combined in one device. Since only one drive is required, such a combination device is more reliable than two individual devices. At the same time installation space is saved, which is particularly advantageous in space-constrained experimental arrangements and when operating in a vacuum.
  • control element is mounted against the guide element in such a way that the receptor point can circulate along the outer circumference of the guide element.
  • control element is mounted against the guide element such that the point of view is capable of circulating along the inner circumference of the guide element.
  • the control is pressed in operation by the centrifugal forces against the guide element. This increases the stability of the storage and at the same time also the operational safety: Even if the control should break, the guide element prevents the fragments from the radial fly away. A separate, elaborate enclosure of the chopper to protect the environment from debris is not required. The guide element already increases the reliability.
  • the storage of the control element against the guide element is in a particularly advantageous embodiment of the invention, a magnetic storage and in particular a permanent magnetic storage.
  • a magnetic storage and in particular a permanent magnetic storage Such storage is non-contact and thus wear-free even at high speeds.
  • the guide element and the control element each have at least one magnetized region in such a way that these magnetized regions repel each other at the point of circulation of the point in which they come closest.
  • the control element has an annular shape and the magnetized areas are arranged point-symmetrically about the center of the ring, a rest position is defined in which all repulsions between magnetized areas are compensated. In a deflection from the rest position, a magnetic gap is reduced, so that the repulsive force between the corresponding magnetized areas increases and drives the control back to the rest position.
  • the bearing of the control on constraints in such a way that the control can neither move axially out of the guide element or tilt in this.
  • This can be effected, for example, by additional magnetized areas on the control element and on the guide element, which, when in operation directly opposite one another, exert magnetic forces with an axial component on one another.
  • the guide element has means for generating a magnetic traveling field. Then can in addition to the magnetic bearing and the drive of the control via the guide element take place.
  • This functional integration of drive and bearing is also able to respond to imbalances in the control by adjusting the strength of the traveling magnetic field over time. Such imbalances are very difficult to avoid in choppers with typical diameters of 1.20 m and more and peripheral speeds up to 300 m / s.
  • At least one temporarily or permanently magnetized region of the guide element which belongs to the magnetic bearing of the control element against the guide element, at the same time also an element for generating the magnetic traveling field.
  • the magnetized region is, for example, a coil which is energized for magnetic storage of the control element according to a time program, an additional current can be modulated onto this current, which generates the traveling magnetic field.
  • the magnetic traveling field is advantageously perpendicular to the magnetic field of the magnetic bearing.
  • the approach offers a possibility, so far in the prior art by rotating around a rotation axis elements which achieve a physical effect in the region of its outer periphery, to modify such that the element is stored along the outer periphery.
  • the axis of rotation and connections of any kind between this axis of rotation and the outer circumference can be partially or completely saved.
  • the mass of the arrangement can be advantageously reduced, and the lever with which disturbance moments act on the bearing is advantageously reduced.
  • the outer circumference can be tailored to the needs. It may for example be a closed loop, which may be arbitrarily oriented in space, for example in a vertical plane.
  • the bearing carries the physical effect-achieving element, such as one or more turbine blades, beam stopper, filters, reflectors or energy selectors.
  • turbomolecular pump and the exhaust gas turbocharger are characterized by particularly large disturbance torques which engage in a magnetic bearing on a shaft according to the prior art with a large lever on the camp.
  • the bearing force is distributed over the entire circumference of the second component, so that according to the invention overall significantly greater bearing forces can be absorbed than in the prior art.
  • the volume of construction of both turbomolecular pumps and exhaust gas turbochargers can be advantageously reduced by the inventive integration of drive and storage.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a chopper invention in a view along its axis of symmetry (the axis of symmetry is perpendicular to the plane).
  • This chopper comprises an annular guide element 11 on a base 12 as well as a likewise annular, concentric with the guide element 11 arranged control element 13.
  • the guide member 11 comprises a main body 11a and magnetic coils 11b.
  • the main body 11a consists of a circular ring 11a1, which is arranged between two annular discs 11a2 and 11a3.
  • the magnetic coils 11b are recessed at regular intervals in the inner side of the circular ring 11a1 of the main body 11a.
  • the control element 13 comprises a base ring 13a, permanent-magnetic regions 13b and areas 13c which are reflective for the particle beam and thus impermeable.
  • the permanent magnetic regions 13b are sunk at regular intervals in the outer side of the base ring 13a.
  • the particle-beam-reflecting and hence impermeable regions 13c are mounted at regular intervals on the inside of the base ring 13a.
  • the magnetic coils 11b and the permanent magnetic regions 13b cooperate in such a way that the control element 13 is mounted magnetically against the guide element 11.
  • the magnetic coils 11 b are also elements for generating a traveling magnetic field with which the control element 13 and thus also the areas 13 c reflecting the particle beam can be set into rotation within the guide element 11.
  • the main body 11 a surrounds the base ring 13 a almost completely except for a radially inwardly directed region in which the particle-beam-reflecting regions 13 c can protrude radially inward around the guide element 11 in each circulating position of the control element 13.
  • the magnetic bearing of the control member 13 is supplemented against the guide member 11 by a mechanical emergency storage, which imposes such constraints on the control 13 that it can neither move axially out of the guide member 11 nor tilt in this
  • FIG. 2 shows a side view of the chopper FIG. 1 , Across from FIG. 1 the chopper is turned 90 degrees out of the drawing plane.
  • the subdivision of the main body 11a into a circular ring 11a1 and two annular disks 11a2 and 11a3 is illustrated.
  • FIG. 3 a section of the chopper is shown in cross-sectional view, wherein the section along the line AA in FIG. 1 was carried out.
  • the annular discs 11a2 and 11a3 of the main body 11a have at their directed to the common axis of symmetry of the guide member 11 and control element 13 edge extensions 11a4 and 11a5, which are directed towards each other.
  • the projections 11a4 and 11a5 form a gap 11a6 into which the particle beam-reflecting region 13c of the control element engages and in which this region 13c can rotate.
  • the magnetized region 13b which is recessed in the base ring 13a of the control, forms a magnetic gap with the magnetic coil 11b.
  • the magnetized region 11a7 forms a magnetic gap with the magnetized region 13a1.
  • the magnetized region 11a8 forms a magnetic gap with the magnetized region 13a2.
  • the area 13c reflecting the particle beam and thus impermeable receives its reflective property by means of a coating 13c1 applied on one side.
  • the magnetized regions 13b buried in the base ring 13a of the control element 13 may be additionally secured by a layer or winding of high strength material (such as CFIC or a woven fabric) which provides radially outward movement of the magnetized regions Prevent 13b from the base ring 13a out.
  • high strength material such as CFIC or a woven fabric
  • FIG. 4 shows the chopper in a three-dimensional representation. It can be seen particularly clearly that the particle-beam-reflecting regions 13c in operation within the gap 11a6 between the extensions 11a4 and 11a5 of the annular discs 11a2 and 11a3 of the main body 11 a of the guide member 11 rotate.

Description

    Stand der Technik
  • Um einen kontinuierlichen Teilchenstrahl in räumlich und zeitlich begrenzte Pulse zu unterteilen, werden Chopper verwendet. Ein Chopper ist ein Element, welches sowohl für den Teilchenstrahl durchlässige als auch für den Teilchenstrahl undurchlässige Bereiche aufweist. Wird der Chopper durch den Teilchenstrahl bewegt, treten wechselweise durchlässige und undurchlässige Bereiche durch den Teilchenstrahl, so dass der Teilchenstrahl moduliert wird.
  • Aus der DE 10 2004 002 326 A1 sind als Räder ausgebildete Chopper bekannt, welche durch den Teilchenstrahl rotiert werden. Ein wesentliches Kriterium für die Leistungsfähigkeit eines solchen Choppers ist die höchste Frequenz, mit der dieser den Teilchenstrahl modulieren kann. Diese Frequenz wird bestimmt durch die Umfangsgeschwindigkeit am Rand des Chopperrades, welche wiederum durch den Durchmesser und die Drehzahl festgelegt ist.
  • Die oben genannte Druckschrift offenbart, dass für typische Experimente Umfangsgeschwindigkeiten von etwa 300 m/s gefordert werden. Die Druckschrift offenbart sowohl als Vollscheiben ausgebildete als auch speichenförmig segmentierte Chopper zur Erzielung derartiger Umlaufgeschwindigkeiten.
  • Nachteilig wird das Material der Chopperräder auf Grund der Fliehkräfte bis an die Grenzen seiner mechanischen Festigkeit beansprucht. Zudem können die Chopperräder in Schwingungen geraten. In der Praxis müssen Drehzahlbereiche, in denen Eigenfrequenzen der Chopperräder angeregt werden können, vermieden werden. So kann es vorkommen, dass der Chopper gar nicht mit der Umlaufgeschwindigkeit betrieben werden kann, zu der er von seiner mechanischen Festigkeit her in der Lage wäre.
    • Aufgabe und Lösung
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Chopper zur Verfügung zu stellen, der einen Teilchenstrahl mit einer höheren Frequenz als bislang möglich zu modulieren vermag und zugleich sicherer zu betreiben ist als Chopper nach dem Stand der Technik.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Chopper gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
    • Gegenstand der Erfindung
  • Im Rahmen der Erfindung wurde ein Chopper für einen Teilchenstrahl entwickelt. Dieser Chopper ist gekennzeichnet durch mindestens ein ringförmiges, insbesondere kreisringförmiges, Führungselement sowie durch mindestens ein Steuerelement für den Teilchenstrahl, welches derart gegen das Führungselement gelagert ist, dass mindestens ein Aufpunkt auf dem Steuerelement entlang eines Umfangs des Führungselements umzulaufen vermag.
  • Unter einem Führungselement im Sinne dieser Erfindung wird ein Element verstanden, welches der Bewegung des Steuerelements eine oder mehrere Zwangsbedingungen aufprägt. Das Führungselement sollte daher zumindest derart beschaffen und/oder im Raum fixiert sein, dass eine Bewegung des Steuerelements im Betrieb des Choppers keine Bewegung des Führungselements auslöst.
  • Unter einem Steuerelement im Sinne dieser Erfindung wird jedes Element verstanden, welches mindestens einen Bereich aufweist, der die Intensität des Teilchenstrahls abzuschwächen vermag. Dieser Bereich kann insbesondere völlig undurchlässig für den Teilchenstrahl sein. Wird das Steuerelement durch den Teilchenstrahl bewegt, kann die Intensität des Teilchenstrahls moduliert werden.
  • Es wurde erkannt, dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erstmals eine Alternative zu den bislang immer als Rädern ausgebildeten Choppern zur Verfügung gestellt wird. Dadurch werden unerwünschte Schwingungen, die als Folge der radförmigen Ausbildung bislang zwangsläufig auftraten, vorteilhaft vermieden. Im Ergebnis wird so ein Chopper zur Verfügung gestellt, der den Teilchenstrahl mit einer wesentlich höheren Frequenz zu modulieren vermag als dies nach dem Stand der Technik möglich war. Die erfindungsgemäße Lagerung entlang eines Umfangs ist jedoch auch bei Umlauffrequenzen des Aufpunkts auf dem Steuerelement entlang des Umfangs des Führungselements funktionsfähig und vorteilhaft, die kleiner sind als die maximal mögliche Umlauffrequenz.
  • Es wurde außerdem erkannt, dass die erfindungsgemäße Lagerung entlang eines Umfangs insbesondere bei großen Umfängen und Umlaufgeschwindigkeiten wesentlich stabiler ist als die bei radförmigen Choppern gemäß Stand der Technik zwangsläufig notwendige Lagerung an einer Drehachse. Um ein gegebenes Störmoment zu kompensieren, ist gemäß der Definition des Drehmoments bei einer Lagerung entlang eines Umfangs eine viel geringere Kraft erforderlich als bei einer Lagerung an einer Drehachse. Zugleich kann die aufzubringende Lagerkraft auf den ganzen Umfang des Führungselements verteilt werden, so dass auch insgesamt höhere Lagerkräfte auf das Steuerelement ausgeübt werden können. Im Ergebnis kann das Führungselement einen höheren Umfang aufweisen und zugleich das Steuerelement schneller bewegt werden. Somit kann sich das Steuerelement mit einer höheren Umfangsgeschwindigkeit bewegen. Dies bewirkt, dass der Teilchenstrahl mit einer höheren Frequenz moduliert werden kann als dies nach dem Stand der Technik möglich war.
  • Die Erfindung schließt ausdrücklich auch ein Chopperrad als Steuerelement ein, wobei dieses als Vollscheibe oder auch speichenförmig segmentiert ausgebildet sein kann und wobei auch eine Lagerung an einer Drehachse vorhanden sein kann. Somit kann auch ein bestehender Chopper mit der erfindungsgemäßen Lagerung entlang eines Umfangs nachgerüstet werden. Es kommen dann gleichermaßen die erfindungsgemäßen Vorteile zum Tragen, dass zur Kompensation eines gegebenen Störmoments die Lagerung entlang des Umfangs eine geringere Kraft aufbringen muss als die Lagerung an einer Drehachse und dass insgesamt höhere Lagerkräfte auf das Steuerelement ausgeübt werden können.
  • Da das Steuerelement erfindungsgemäß nahe am Ort seiner Funktion gelagert ist, ist der Hebel, mit dem Störmomente am Lager angreifen können, vorteilhaft verkürzt. Damit wirkt ein gegebenes Störmoment mit einer geringeren Kraft auf das Lager ein als bei einer Lagerung an einer Drehachse gemäß Stand der Technik. Somit ist die Gefahr vermindert, dass das Lager zerstört wird und das Steuerelement oder Teile davon unkontrolliert davonfliegen, wenn beispielsweise die Bewegung des Steuerelements durch einen Fremdkörper abrupt gestoppt wird.
  • Hinzu kommt, dass eine Drehachse insgesamt entbehrlich wird. Damit besteht auch keine Notwendigkeit, Teile des Steuerelements mit einer Drehachse mechanisch zu verbinden. Dadurch werden vielfältige Formgebungen für das Steuerelement möglich. Es kann beispielsweise ringförmig, insbesondere kreisringförmig, ausgebildet sein. Insbesondere kann das Steuerelement konzentrisch zum Führungselement angeordnet sein. Die Wirkung auf den Teilchenstrahl kann aber auch schon mit einem Einzelsteuerelement erzielt werden, das gerade groß genug ist, in einem Punkt des Umlaufs um den Umfang des Führungselements den Teilchenstrahl abzuschwächen. Aus einer Mehrzahl derartiger Einzelsteuerelemente lässt sich ein Steuerelement zusammensetzen, das im Ganzen um den Umfang des Führungselements umzulaufen vermag. Dieses Steuerelement kann beispielsweise den Umfang des Führungselements ganz oder teilweise belegen. Bei Defekten, wie etwa Strahlenschäden durch die Wechselwirkung mit dem Teilchenstrahl, können dann die Einzelsteuerelemente unabhängig voneinander ausgetauscht werden. Die Verbindung der Einzelsteuerelemente kann elastisch oder fest sein.
  • Derartige Formgebungen des Steuerelements können ein ganz erheblich geringeres Gewicht aufweisen als Chopperräder nach dem Stand der Technik. Dieses Gewicht wächst zudem nur linear mit dem Umfang des Steuerelements. Da die für die maximal erzielbare Modulationsfrequenz maßgebliche Umfangsgeschwindigkeit das Produkt aus Drehzahl und Umfang ist, ist ein möglichst großer Umfang des Steuerelements vorteilhaft. Bei einem (massiven) Chopperrad gemäß Stand der Technik dagegen ist das Gewicht proportional zur Fläche und wächst damit quadratisch mit dem Umfang. Das erfindungsgemäß wesentlich geringere Gewicht bewirkt wiederum, dass pro Einheit Lagerkraft, welche auf das Steuerelement ausgeübt werden kann, eine höhere Umfangsgeschwindigkeit und damit eine höhere Modulationsfrequenz erzielt werden kann.
  • Das geringere Gewicht verbessert die Betriebssicherheit des Choppers in zweifacher Weise: Es führt zu einer geringeren Beanspruchung des Steuerelements durch die Fliehkräfte, so dass die Gefahr verringert wird, dass dieses zerreißt. Im unwahrscheinlichen Fall des Zerreißens haben die Bruchstücke zudem eine wesentlich geringere Masse und damit kinetische Energie, so dass ein wesentlich geringerer Aufwand für eine Umschließung getrieben werden muss, die die Umgebung vor derartigen Bruchstücken schützt.
  • Zugleich erhöht das geringere Gewicht auch die Eigenfrequenzen des Steuerelements, so dass diese vorteilhaft nicht mehr im Bereich der Umlauffrequenzen um den Umfang des Führungselements liegen.
  • Bei einem Betrieb des Choppers im Vakuum wirkt sich eine ringförmige Formgebung des Steuerelements noch in einer weiteren Weise vorteilhaft aus. Nur das Führungselement und das Steuerelement müssen sich im Vakuum befinden, nicht jedoch der gesamte von diesen Elementen umgrenzte Bereich. Es genügt somit, wenn ein rohrförmiger Bereich, der das Steuer- und das Führungselement umschließt, unter Vakuum gehalten wird. Dieser Bereich kann insbesondere zwischen einem Innendurchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Steuerelements, und einem Außendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Führungselements, angeordnet sein. Dies verkleinert das unter Vakuum zu haltende Volumen drastisch. Der Aufwand an Pumpleistung und Zeit für die Herstellung dieses Vakuums verringert sich erheblich.
  • Die Ringform des Führungselements ist erfindungsgemäß nicht auf die Kreisringform festgelegt. Andere ringförmige Gestaltungen, wie beispielsweise Ellipsen, können beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der Chopper an beengte räumliche Gegebenheiten einer bereits existierenden Versuchsanordnung anzupassen ist.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Steuerelement mindestens einen Bereich auf, der reflektierend für den Teilchenstrahl ist. Hierfür ist bei einem Neutronenstrahl beispielsweise ein Graphit-Einkristall geeignet. Dann kann der vom Chopper nicht durchgelassene Anteil des Teilchenstrahls für ein weiteres Experiment genutzt werden. Er kann aber auch durch einen weiteren Chopper geleitet werden. Werden beide Zweige des Teilchenstrahls miteinander kombiniert, ist das Ergebnis mit einer höheren Frequenz moduliert als dies ein einzelner Chopper könnte
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Steuerelement mindestens eine schraubenförmige Bohrung auf. Bei einer gegebenen Umlaufgeschwindigkeit können dann nur Teilchen innerhalb eines engen Geschwindigkeitsfensters das Steuerelement passieren. Der Chopper moduliert dann nicht nur die Intensität des Teilchenstrahls, sondern selektiert die Teilchen des Strahls gleichzeitig nach ihrer Geschwindigkeit und damit nach ihrer Energie und ihrem Impuls. Somit sind Chopper und Geschwindigkeitsselektor vorteilhaft in einem Gerät vereinigt. Da nur ein Antrieb erforderlich ist, ist ein derartiges Kombinationsgerät zuverlässiger als zwei Einzelgeräte. Zugleich wird Einbauraum gespart, was insbesondere in räumlich beengten Versuchsanordnungen und beim Betrieb im Vakuum von Vorteil ist.
  • Je länger die schraubenförmige Bohrung ist, desto schmaler ist der Geschwindigkeitsbereich der Teilchen, die sie passieren können. Eine längere Bohrung vergrößert jedoch die Dicke und damit das Gewicht des Steuerelements. Da beim Steuerelement erfindungsgemäß an anderer Stelle sehr viel Gewicht eingespart wird, ist es ohne Beeinträchtigung der Stabilität möglich, den Bereich der schraubenförmigen Bohrung dicker auszugestalten.
  • Es ist vorstellbar, dass das Steuerelement derart gegen das Führungselement gelagert ist, dass der Aufpunkt entlang des Außenumfangs des Führungselements umzulaufen vermag. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerelement jedoch derart gegen das Führungselement gelagert, dass der Aufpunkt entlang des Innenumfangs des Führungselements umzulaufen vermag. In dieser Ausgestaltung wird das Steuerelement im Betrieb durch die Fliehkräfte gegen das Führungselement gedrückt. Dies erhöht die Stabilität der Lagerung und zugleich auch die Betriebssicherheit: Selbst wenn das Steuerelement brechen sollte, hindert das Führungselement die Bruchstücke am radialen Davonfliegen. Eine separate, aufwändige Umschließung des Choppers zum Schutz der Umgebung vor Bruchstücken ist nicht erforderlich. Das Führungselement erhöht bereits die Betriebssicherheit.
  • Die Lagerung des Steuerelements gegen das Führungselement ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine magnetische Lagerung und hier insbesondere eine permanentmagnetische Lagerung. Eine solche Lagerung ist berührungslos und damit auch bei hohen Drehzahlen verschleißfrei. Es ist keinerlei Schmiermittel erforderlich, so dass das Lager uneingeschränkt ultrahochvakuumtauglich ist.
  • Vorteilhaft weisen das Führungselement und das Steuerelement jeweils mindestens einen magnetisierten Bereich auf dergestalt, dass sich diese magnetisierten Bereiche in dem Punkt des Umlaufs des Aufpunkts, in dem sie sich am nächsten kommen, abstoßen. Ist das Steuerelement beispielsweise kreisringförmig ausgebildet und sind die magnetisierten Bereiche punktsymmetrisch um den Mittelpunkt des Rings angeordnet, ist eine Ruhelage definiert, in der sich alle Abstoßungen zwischen magnetisierten Bereichen kompensieren. Bei einer Auslenkung aus der Ruhelage wird ein Magnetspalt verringert, so dass die abstoßende Kraft zwischen den entsprechenden magnetisierten Bereichen sich erhöht und das Steuerelement zurück in die Ruhelage treibt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Lagerung des Steuerelements Zwangsbedingungen dergestalt auf, dass das Steuerelement sich weder axial aus dem Führungselement herausbewegen noch in diesem verkanten kann. Dies kann beispielsweise durch zusätzliche magnetisierte Bereiche am Steuerelement und am Führungselement bewirkt werden, die, wenn sie sich im Betrieb unmittelbar gegenüber liegen, Magnetkräfte mit einer axialen Komponente aufeinander ausüben.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Führungselement Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Wanderfelds auf. Dann kann neben der magnetischen Lagerung auch der Antrieb des Steuerelements über das Führungselement erfolgen. Diese funktionelle Integration von Antrieb und Lagerung ist auch in der Lage, auf Unwuchten im Steuerelement zu reagieren, indem die Stärke des magnetischen Wanderfelds zeitabhängig angepasst wird. Derartige Unwuchten sind bei Choppern mit typischen Durchmessern von 1,20 m und mehr und Umfangsgeschwindigkeiten bis 300 m/s nur sehr schwer zu vermeiden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein zeitweise oder dauerhaft magnetisierter Bereich des Führungselements, der zur magnetischen Lagerung des Steuerelements gegen das Führungselement gehört, zugleich auch ein Element zur Erzeugung des magnetischen Wanderfeldes. Ist der magnetisierte Bereich beispielsweise eine Spule, die zur magnetischen Lagerung des Steuerelements nach einem Zeitprogramm bestromt wird, so kann auf diesen Strom ein zusätzlicher Strom aufmoduliert werden, der das magnetische Wanderfeld erzeugt.
  • Zur Erzielung eines maximalen Vortriebs und damit einer maximalen Umlaufgeschwindigkeit steht das magnetische Wanderfeld vorteilhaft senkrecht auf dem Magnetfeld der magnetischen Lagerung.
  • Die den vorstehenden Ausführungen zu Grunde liegende technische Lehre ist nicht auf den detailliert beschriebenen Anwendungsfall Chopper eingeschränkt. Stattdessen wird allgemein gelehrt, dass es vorteilhaft ist, eine, vorzugsweise magnetische, Lagerung zweier, insbesondere gegeneinander drehbarer, Bauteile derart auszugestalten, dass mindestens ein Aufpunkt auf dem ersten Bauteil entlang eines Umfangs des zweiten Bauteils umzulaufen vermag, wobei dieses zweiten Bauteil vorteilhaft ringförmig ausgestaltet ist. Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorteile einer solchen Anordnung kommen beispielsweise auch bei der Magnetlagerung von Turbomolekularpumpen oder Abgasturboladern zum Tragen.
  • Allgemein bietet der Ansatz eine Möglichkeit, bisher im Stand der Technik durch sich um eine Drehachse drehende Elemente, welche im Bereich ihres Außenumfangs eine physikalische Wirkung erzielen, derart zu modifizieren, dass das Element entlang des Außenumfangs gelagert wird. Auf diese Weise können die Drehachse sowie Verbindungen jedweder Art zwischen dieser Drehachse und dem Außenumfang teilweise oder vollständig eingespart werden. Dadurch kann die Masse der Anordnung vorteilhaft reduziert werden, und der Hebel, mit dem Störmomente am Lager angreifen, wird vorteilhaft reduziert. Der Außenumfang kann auf den Bedarf zugeschnitten werden. Er kann beispielsweise eine geschlossene Schleife sein, die beliebig, beispielsweise in einer senkrechten Ebene, im Raum orientiert sein kann. Das Lager trägt das die physikalische Wirkung erzielende Element, wie beispielsweise ein oder mehrere Turbinenschaufeln, Beamstopper, Filter, Reflektoren oder Energieselektoren.
  • Insbesondere die Turbomolekularpumpe und der Abgasturbolader sind durch besonders große Störmomente gekennzeichnet, die bei einer Magnetlagerung an einer Achse gemäß Stand der Technik mit einem großen Hebel am Lager angreifen. Bei der erfindungsgemäßen Lagerung entlang eines Umfangs greifen diese Störmomente nur noch mit einem sehr kurzen Hebel an und können somit besser vom Lager kompensiert werden. Überhaupt wird die Lagerkraft auf den gesamten Umfang des zweiten Bauteils verteilt, so dass erfindungsgemäß insgesamt deutlich größere Lagerkräfte aufgenommen werden können als nach dem Stand der Technik. Auch kann das Bauvolumen sowohl von Turbomolekularpumpen als auch von Abgasturboladern durch die erfindungsgemäße Integration von Antrieb und Lagerung vorteilhaft verringert werden.
    • Spezieller Beschreibungsteil
  • Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
    • Figur 1:
    Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Choppers, entlang dessen Symmetrieachse betrachtet.
    Figur 2:
    Seitenansicht des Choppers aus Figur 1.
    Figur 3:
    Ausschnitt des Choppers aus Figur 1 in Schnittzeichnung.
    Figur 4:
    Dreidimensionale Ansicht des Choppers aus Figur 1.
    Gleiche Bezugszeichen bezeichnen jeweils gleich wirkende Elemente.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Choppers in einer Ansicht entlang dessen Symmetrieachse (die Symmetrieachse steht senkrecht auf der Zeichenebene). Dieser Chopper umfasst ein kreisringförmiges Führungselement 11 auf einem Standfuß 12 sowie ein ebenfalls kreisringförmiges, konzentrisch zum Führungselement 11 angeordnetes Steuerelement 13. Das Führungselement 11 umfasst einen Grundkörper 11a sowie Magnetspulen 11b. Der Grundkörper 11a besteht aus einem Kreisring 11a1, der zwischen zwei Kreisringscheiben 11a2 und 11a3 angeordnet ist. Die Magnetspulen 11b sind in regelmäßigen Abständen in der Innenseite des Kreisrings 11a1 des Grundkörpers 11a versenkt.
  • Das Steuerelement 13 umfasst einen Grundring 13a, permanentmagnetische Bereiche 13b sowie für den Teilchenstrahl reflektierende und somit undurchlässige Bereiche 13c. Die permanentmagnetischen Bereiche 13b sind in regelmäßigen Abständen in der Außenseite des Grundrings 13a versenkt. Die für den Teilchenstrahl reflektierenden und damit undurchlässigen Bereiche 13c sind in regelmäßigen Abständen auf der Innenseite des Grundrings 13a montiert.
  • Die Magnetspulen 11b und die permanentmagnetischen Bereiche 13b wirken derart zusammen, dass das Steuerelement 13 magnetisch gegen das Führungselement 11 gelagert ist. Zugleich sind die Magnetspulen 11b auch Elemente zur Erzeugung eines magnetischen Wanderfeldes, mit dem das Steuerelement 13 und damit auch die für den Teilchenstrahl reflektierenden Bereiche 13c in eine Rotation innerhalb des Führungselements 11 versetzt werden können.
  • Der Grundkörper 11 a umschließt den Grundring 13a fast vollständig bis auf einen radial nach innen gerichteten Bereich, in dem die für den Teilchenstrahl reflektierenden Bereiche 13c in jeder Umlaufposition des Steuerelements 13 um das Führungselement 11 radial nach innen ragen können. Somit wird die magnetische Lagerung des Steuerelements 13 gegen das Führungselement 11 durch eine mechanische Notlagerung ergänzt, die dem Steuerelement 13 derartige Zwangsbedingungen aufprägt, dass es sich weder axial aus dem Führungselement 11 herausbewegen noch in diesem verkanten kann
  • Die Einbettung der Magnetspulen 11b in den Grundkörper 11 a sowie die Einbettung der magnetisierten Bereiche 13b in den Grundring 13a sind nur im rechten oberen Quadranten von Figur 1 zu sehen, in dem der Chopper teilweise in Schnittzeichnung dargestellt ist.
  • Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des Choppers aus Figur 1. Gegenüber Figur 1 ist der Chopper hier um 90° aus der Zeichenebene heraus gedreht. Hier wird die Unterteilung des Grundkörpers 11a in einen Kreisring 11a1 sowie zwei Kreisringscheiben 11a2 und 11a3 verdeutlicht.
  • In Figur 3 ist ein Ausschnitt des Choppers in Schnittzeichnung dargestellt, wobei der Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 1 durchgeführt wurde. Die Kreisringscheiben 11a2 und 11a3 des Grundkörpers 11a weisen an ihrem zur gemeinsamen Symmetrieachse von Führungselement 11 und Steuerelement 13 gerichteten Rand Fortsätze 11a4 und 11a5 auf, die aufeinander gerichtet sind. Die Fortsätze 11a4 und 11a5 bilden einen Spalt 11a6, in den der für den Teilchenstrahl reflektierende Bereich 13c des Steuerelements eingreift und in dem dieser Bereich 13c umlaufen kann.
  • In den in Richtung des Grundrings 13a des Steuerelements 13 weisenden Kanten der Kreisringscheiben 11a2 und 11a3 des Führungselements 11 sind zusätzliche magnetisierte Bereiche 11a7 und 11a8 versenkt. In den auf diese Bereiche 11a7 und 11a8 weisenden Kanten des Grundrings 13a des Steuerelements 13 sind magnetisierte Bereiche 13a1 und 13a2 versenkt. Die magnetisierten Bereiche 11a7 und 11a8 in den Kreisringscheiben wirken mit den magnetisierten Bereichen 13a1 und 13a2 des Grundrings derart zusammen, dass die Kreisringscheiben 11a2 und 11a3 über axiale magnetische Kräfte mit dem Grundring 13a wechselwirken, wobei sich der Begriff "axial" hier auf die gemeinsame Symmetrieachse von Führungselement 11 und. Steuerelement 13 bezieht. Somit weist die magnetische Lagerung des Steuerelements 13 gegen das Führungselement 11 Zwangsbedingungen dergestalt auf, dass das Steuerelement 13 sich weder axial aus dem Führungselement 11 herausbewegen noch in diesem verkanten kann. Die oben angesprochene mechanische Notlagerung wird nur bei außergewöhnlichen Betriebszuständen in Anspruch genommen, die die magnetische Lagerung durch das Zusammenspiel der magnetisierten Bereiche 11a7 und 11a8 mit den magnetisierten Bereichen 13a1 und 13a2 überfordern.
  • Der magnetisierte Bereich 13b, der im Grundring 13a des Steuerelements versenkt ist, bildet mit der Magnetspule 11b einen Magnetspalt. Der magnetisierte Bereich 11a7 bildet mit dem magnetisierten Bereich 13a1 einen Magnetspalt. Der magnetisierte Bereich 11a8 bildet mit dem magnetisierten Bereich 13a2 einen Magnetspalt.
  • Der für den Teilchenstrahl reflektierende und somit undurchlässige Bereich 13c erhält seine reflektierende Eigenschaft durch eine einseitig aufgebrachte Beschichtung 13c1.
  • In der in Figur 3 gezeigten Ausgestaltung können optional die magnetisierten Bereiche 13b, die im Grundring 13a des Steuerelements 13 versenkt sind, zusätzlich durch eine Schicht oder eine Wicklung aus hochfestem Material (wie etwa CFIC oder ein Gewebe) gesichert werden, die eine radial nach außen gerichteten Bewegung der magnetisierten Bereiche 13b aus dem Grundring 13a heraus verhindern. In diese Richtung wirkt im Betrieb auf die magnetisierten Bereiche 13b die Fliehkraft, die erheblich sein kann, da permanentmagnetische Materialien meistens eine hohe Dichte aufweisen.
  • Figur 4 zeigt den Chopper in einer dreidimensionalen Darstellung. Es ist besonders deutlich zu erkennen, dass die für den Teilchenstrahl reflektierenden Bereiche 13c im Betrieb innerhalb des Spalts 11a6 zwischen den Fortsätzen 11a4 und 11a5 der Kreisringscheiben 11a2 und 11a3 des Grundkörpers 11 a des Führungselements 11 umlaufen.

Claims (15)

  1. Chopper für einen Teilchenstrahl, gekennzeichnet durch mindestens ein ringförmiges Führungselement (11) und mindestens ein Steuerelement (13) für den Teilchenstrahl, welches derart gegen das Führungselement gelagert ist, dass mindestens ein Aufpunkt auf dem Steuerelement entlang eines Umfangs des Führungselements umzulaufen vermag.
  2. Chopper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein kreisringförmiges Führungselement.
  3. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch ein Chopperrad als Steuerelement.
  4. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein ringförmig, insbesondere kreisringförmig, ausgebildetes Steuerelement.
  5. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement mindestens einen für den Teilchenstrahl reflektierenden Bereich (13c) aufweist.
  6. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement mindestens eine schraubenförmige Bohrung aufweist.
  7. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Neutronenstrahl als Teilchenstrahl.
  8. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine derartige Lagerung des Steuerelements, dass der Aufpunkt entlang des Innenumfangs des Führungselements umzulaufen vermag.
  9. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine magnetische Lagerung des Steuerelements gegen das Führungselement.
  10. Chopper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement und das Steuerelement jeweils mindestens einen magnetisierten Bereich aufweisen dergestalt, dass sich diese magnetisierten Bereiche in dem Punkt des Umlaufs des Aufpunkts, in dem sie sich am nächsten kommen, abstoßen.
  11. Chopper nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Lagerung Zwangsbedingungen dergestalt aufweist, dass das Steuerelement sich weder axial aus dem Führungselement herausbewegen noch in diesem verkanten kann.
  12. Chopper nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Wanderfelds aufweist.
  13. Chopper nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel zur Aufprägung einer Zeitabhängigkeit auf das magnetische Wanderfeld.
  14. Chopper nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zeitweise oder dauerhaft magnetisierter Bereich des Führungselements, der zur magnetischen Lagerung des Steuerelements gegen das Führungselement gehört, zugleich auch ein Element zur Erzeugung des magnetischen Wanderfeldes ist.
  15. Chopper nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wanderfeld auf dem Feld der magnetischen Lagerung senkrecht steht.
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