RU2063108C1 - Multiple-pole magnetic lens - Google Patents
Multiple-pole magnetic lens Download PDFInfo
- Publication number
- RU2063108C1 RU2063108C1 RU93016624A RU93016624A RU2063108C1 RU 2063108 C1 RU2063108 C1 RU 2063108C1 RU 93016624 A RU93016624 A RU 93016624A RU 93016624 A RU93016624 A RU 93016624A RU 2063108 C1 RU2063108 C1 RU 2063108C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- poles
- magnets
- windings
- magnetic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, к устройству магнитных линз, используемых для нелинейной фокусировки пучков заряженных частиц. Такую фокусировку, в частности, применяют наряду с методом магнитной развертки пучка для обеспечения равномерного облучения мишени заряженными частицами. Высокая равномерность облучения требуется как при некоторых научных экспериментах, так и для ряда практических применений пучков заряженных частиц (лучевая терапия, стерилизация, обработка материалов и др.) Для тех применений, при которых облучаемый объект (мишень) перемещается перпендикулярно оси пучка, например, с помощью конвейера, достаточно равномерного облучения только в одной плоскости. The invention relates to electrical engineering, to the device of magnetic lenses used for nonlinear focusing of charged particle beams. Such focusing, in particular, is used along with the magnetic beam sweep method to ensure uniform irradiation of the target with charged particles. High uniformity of irradiation is required both in some scientific experiments and in a number of practical applications of charged particle beams (radiation therapy, sterilization, material processing, etc.) For those applications in which the irradiated object (target) moves perpendicular to the axis of the beam, for example, with using a conveyor, sufficiently uniform exposure in only one plane.
Известны используемые для указанной выше цели многополюсные магнитные линзы с шестью, восемью и большим числом полюсов. Такие линзы формируют магнитное поле, индукция которого нелинейно нарастает при удалении от оси линзы. Multipolar magnetic lenses with six, eight and a large number of poles are known for the above purpose. Such lenses form a magnetic field, the induction of which increases nonlinearly with distance from the axis of the lens.
Чаще всего для нелинейной фокусировки, имеющей целью выравнивание распределения плотности пучка на мишени, применяются восьмиполюсные линзы (октуполи) (см. E.Kashy and B.Sherrill. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B26(1987) 610-613; B.Sherrill, J.Bailey, E.Kashy and C.Leakeas. Nuсlear Instruments and Methods in Physics Research B 40/41 (1989) 1004-1007) У восьмиполюсной линзы индукция магнитного поля при удалении от оси линзы растет по кубическому закону и при переходе через ось изменяет направление. После прохождения пучка заряженных частиц через октуполь зависимость плотности частиц в пучке от расстояния до оси пучка, совмещенной с осью линзы, существенно изменяется, так как на удаленные от оси частицы воздействует более сильное магнитное поле. Это позволяет получить на мишени более равномерное распределение плотности частиц по тому направлению, которое совпадает с плоскостью нелинейной фокусировки линзы. Most often, for nonlinear focusing, which aims to equalize the distribution of the beam density on the target, eight-pole lenses (octupoles) are used (see E. Kashy and B. Sherrill. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B26 (1987) 610-613; B. Sherrill , J. Bailey, E. Kashy and C. Leakeas. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 40/41 (1989) 1004-1007) In an eight-pole lens, the magnetic field induction grows cubically according to the distance from the axis of the lens and when passing through the axis changes direction. After the beam of charged particles passes through the octupole, the dependence of the particle density in the beam on the distance to the beam axis, combined with the axis of the lens, changes significantly, since a stronger magnetic field acts on the particles remote from the axis. This allows the target to obtain a more uniform distribution of particle density in that direction, which coincides with the plane of nonlinear focusing of the lens.
Недостатком восьмиполюсной линзы является сложность ее конструкции, большие размеры и вес, а также большая мощность питания. Восьмиполюсная линза содержит восемь магнитных полюсов, восемь обмоток возбуждения, охватывающих полюса, и восемь соединяющих полюса ярем магнитопровода. При этом для фокусировки используется лишь небольшая часть объема магнитного поля, возбуждаемого линзой, та, которая включает лишь одну из четырех плоскостей симметрии линзы. The disadvantage of an eight-pole lens is the complexity of its design, large size and weight, as well as a large power supply. The eight-pole lens contains eight magnetic poles, eight field windings covering the poles, and eight connecting poles with the core of the magnetic circuit. At the same time, only a small part of the volume of the magnetic field excited by the lens, which includes only one of the four planes of symmetry of the lens, is used for focusing.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков упрощение конструкции линзы, уменьшение ее размера и веса и снижение мощности питания. The aim of the invention is to remedy these disadvantages, simplifying the design of the lens, reducing its size and weight and reducing power supply.
Указанная цель достигается тем, что полюса, обмотки возбуждения и ярма линзы расположены таким образом, что образуют по крайней мере два дипольных плоско-параллельных магнита, установленных таким образом, что средние плоскости межполюсных зазоров магнитов совмещены с плоскостью фокусировки, обмотки одного дипольного магнита включены встречно обмоткам другого, полюса в проекции на плоскость фокусировки имеют форму секторов, вершины которых обращены в сторону оси линзы и смещены относительно этой оси, а величина угла при вершине сектора выбрана из соотношения
в котором α угол сектора (радиан),
Е-полная энергия частиц (электронвольт),
приведенная скорость частиц (с скорость света),
В индукция поля в зазоре (гаусс),
L расстояние от линзы до мишени (см).This goal is achieved by the fact that the poles, field windings and the yoke of the lens are arranged in such a way that they form at least two dipole plane-parallel magnets, mounted in such a way that the middle planes of the pole clearances of the magnets are aligned with the focusing plane, the windings of one dipole magnet are turned on in opposite directions the windings of the other, the poles in the projection onto the focus plane have the shape of sectors, the vertices of which are directed towards the axis of the lens and offset relative to this axis, and the angle at the apex of the sector selected from the relation
in which α is the angle of the sector (radian),
E-total particle energy (electron volt),
reduced speed of particles (with speed of light),
In the field induction in the gap (gauss),
L is the distance from the lens to the target (cm).
Например, для пучка электронов с Е 107 эВ при В 1000 Гс и L 100 см получаем α≈ 0,59 рад ≈ 34°.For example, for an electron beam with
Указанная цель достигается также тем, что дипольные магниты имеют общие для обоих магнитов стянутые немагнитными шпильками ярма, соединяющие полюса со встречно включенными обмотками. This goal is also achieved by the fact that dipole magnets have common magnets for both magnets pulled together by non-magnetic yoke pins connecting the poles with the opposite windings.
На фиг. 1 и 2 приведены схематические чертежи линзы в двух предлагаемых конструктивных вариантах. На фиг.3 приведена схема, поясняющая действие линзы на траектории заряженных частиц пучка, а на фиг.4 показаны распределения плотности частиц пучка перед линзой и на облучаемой пучком мишени. In FIG. 1 and 2 are schematic drawings of the lens in two proposed design options. Fig. 3 is a diagram explaining the effect of the lens on the trajectories of charged particles of the beam, and Fig. 4 shows the distribution of particle density of the beam in front of the lens and on the target irradiated by the beam.
Линза (фиг.1) составлена из двух одинаковых дипольных магнитов, состоящих каждый из пары плоскопараллельных полюсов 1, пары обмоток возбуждения 2 и одного ярма магнитопровода 3. Полюса 1 в проекции на среднюю плоскость А-А' межполюсного зазора h, совмещенную с плоскостью фокусировки линзы, имеют форму сектора с углом при вершине α. Вершина С сектора смещена относительно оси линзы O-O' на расстояние d. Обмотки возбуждения 2 одного магнита включены встречно обмоткам другого, что на фиг.1 обозначено стрелками, указывающими направление вектора индукции магнитного поля в межполюсном зазоре.The lens (figure 1) is composed of two identical dipole magnets, each consisting of a pair of plane-parallel poles 1, a pair of
Другой вариант конструкции линзы показан схематически на фиг.2. Отличие от варианта фиг.1 состоит в том, что ярма 3 магнитопровода соединяют полюса со встречно включенными обмотками и стянуты немагнитными шпильками 4. Остальные составные части линзы на фиг.2 и обозначения на ней те же, что и на фиг.1. Another embodiment of the lens design is shown schematically in FIG. 2. The difference from the embodiment of FIG. 1 is that the
Работу линзы поясняют фиг.3 и 4. На фиг.3 схематически показаны в проекции на плоскость фокусировки области действия магнитного поля, ограниченные секторными полюсами 1 линзы и несколько траекторий заряженных частиц того пучка, который фокусируется линзой и направляется на мишень 5. Для большей ясности изложения на фиг.3 и 4 показан пучок частиц, траектории которых при входе в линзу параллельны ее оси. На частицы, проходящие вблизи оси линзы (траектории 6 и 6'), магнитное поле линзы не действует, траектории остаются параллельными оси. Траектории 7 и 7', 8 и 8', удаление которых от оси линзы превышает величину смещения d вершины секторных полюсов линзы, отклоняются ее магнитным полем. Это отклонение тем сильнее, чем дальше отстоит траектория от оси, так как при удалении от оси увеличивается ширина области магнитного поля из-за увеличения ширины секторного полюса. Величина-угла сектора α и индукция поля В выбраны таким образом, чтобы крайние траектории пучка 8 и 8' после прохождения через линзу попали на мишень 5 в точке, лежащей на оси O-O'. Промежуточные траектории 7 и 7' после отклонения линзой придут на мишень с меньшим отклонением в сторону оси. The operation of the lens is illustrated in FIGS. 3 and 4. FIG. 3 schematically shows in a projection onto the focus plane the areas of action of the magnetic field bounded by the sector poles 1 of the lens and several trajectories of charged particles of the beam that is focused by the lens and sent to target 5. For
Такое изменение формы траекторий заряженных частиц линзой приводит к существенному изменению распределения плотности частиц на мишени по сравнению с распределением их плотности перед линзой. На фиг.4 схематически показано изменение плотности для случая, когда параллельный пучок частиц имеет на входе в линзу исходное распределение 9, близкое по форме к гауссовскому, вида
ρ(x)= ρoexp(-x2/x
и ограниченное по координате х величиной х 2хo. В точке х хo плотность равна половине плотности на оси пучка .Such a change in the shape of the trajectories of charged particles by the lens leads to a significant change in the distribution of particle density on the target compared with the distribution of their density in front of the lens. Figure 4 schematically shows the density change for the case when the parallel particle beam has at the entrance to the lens an initial distribution 9, close in shape to a Gaussian, of the form
ρ (x) = ρ o exp (-x 2 / x
and limited in x coordinate to x 2x o . At the point x x o, the density is equal to half the density on the axis of the beam .
Чтобы получить на мишени 5 распределение плотности частиц, близкое к равномерному, смещение вершины секторного полюса выбрано равным d хo, а другие параметры линзы определены из условия попадания крайней траектории, начинающейся в точке х 2хo, в точку пересечения поверхности мишени 5 с осью линзы. Расчеты показывают, что выполнению этого условия соответствует приведенное выше соотношение (1), связывающее параметры линзы и пучка. В этом случае распределение плотности 10 на мишени получается сложением неискаженной центральной части (область 0≅х≅хo) распределения 11 на входе в линзу и перевернутой "хвостовой" части этого распределения 12 (область хo≅х≅2хo см.фиг.4). В результате получаемая неравномерность облучения мишени не превышает по расчету ±5% а ширина поля облучения в плоскости фокусировки равна 2d.In order to obtain a nearly uniform distribution of particle density on
Численные расчеты на ЭВМ, выполненные для пучка с расходящимися от оси траекториями частиц, показали, что и в этом случае предлагаемая линза обеспечивает такую же неравномерность облучения мишени. Однако, при расходящемся пучке значительно увеличивается ширина поля облучения; эта ширина может в несколько раз превышать расстояние 2d между вершинами секторных полюсов линзы. Использование изобретения позволит по меньшей мере вдвое уменьшить размеры, вес и мощность питания линзы по сравнению с октуполем. В результате станет целесообразной замена широко используемых магнитных систем развертки пучка, требующих для своего питания мощных генераторов пилообразного тока, более экономичной и надежной, питаемой постоянным током магнитной системой, основанной на предлагаемой четырехполюсной линзе с секторными полюсами. ЫЫЫ2 Numerical computer calculations performed for a beam with particle paths diverging from the axis showed that in this case the proposed lens provides the same irregularity of the target irradiation. However, with a diverging beam, the width of the irradiation field increases significantly; this width can be several times greater than the distance 2d between the vertices of the sector poles of the lens. Using the invention will allow at least halving the size, weight and power supply of the lens in comparison with the octupole. As a result, it will become expedient to replace widely used magnetic beam sweep systems, requiring powerful sawtooth current generators for their power supply, with a more economical and reliable direct current magnetic system based on the proposed four-pole lens with sector poles. YYY2
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93016624A RU2063108C1 (en) | 1993-04-01 | 1993-04-01 | Multiple-pole magnetic lens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93016624A RU2063108C1 (en) | 1993-04-01 | 1993-04-01 | Multiple-pole magnetic lens |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93016624A RU93016624A (en) | 1995-09-20 |
RU2063108C1 true RU2063108C1 (en) | 1996-06-27 |
Family
ID=20139550
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93016624A RU2063108C1 (en) | 1993-04-01 | 1993-04-01 | Multiple-pole magnetic lens |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2063108C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7772571B2 (en) | 2007-10-08 | 2010-08-10 | Advanced Ion Beam Technology, Inc. | Implant beam utilization in an ion implanter |
WO2013012522A1 (en) * | 2011-07-20 | 2013-01-24 | Kla-Tencor Corporation | Permanent magnet lens array |
-
1993
- 1993-04-01 RU RU93016624A patent/RU2063108C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
E.Kashy and B. Sherrill. Nuclear Instruments and methods in Physics Rescarch B 26, 1987, p. 610-613. B. Sherrill et al. Nuclear Instruments and Methods in Pkysics Research В 40/41, 1989, p.1004-1007. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7772571B2 (en) | 2007-10-08 | 2010-08-10 | Advanced Ion Beam Technology, Inc. | Implant beam utilization in an ion implanter |
WO2013012522A1 (en) * | 2011-07-20 | 2013-01-24 | Kla-Tencor Corporation | Permanent magnet lens array |
US8698094B1 (en) | 2011-07-20 | 2014-04-15 | Kla-Tencor Corporation | Permanent magnet lens array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2919381A (en) | Electron lens | |
RU2693565C1 (en) | Compact deflecting magnet | |
ATE97536T1 (en) | ION SOURCE FOR POSITIVE HYDROGEN IONS. | |
WO1981003104A1 (en) | Device for irradiating objects with electron beams | |
KR19990022825A (en) | System and method for generating superimposed static and time varying magnetic fields | |
JPS636736A (en) | Electromagnetic lens system | |
JPS5978432A (en) | Device with deflecting objective system for forming multikind particle beam | |
RU2063108C1 (en) | Multiple-pole magnetic lens | |
US4564763A (en) | Process and apparatus for varying the deflection of the path of a charged particle beam | |
JPS62108438A (en) | High current mass spectrometer employing space charge lens | |
US3201631A (en) | Short focus lens at focal point of long focus lens | |
JPH07191169A (en) | Ion deflecting magnet and method for ion deflecting | |
JPH0319664B2 (en) | ||
JP2856518B2 (en) | Ex-B type energy filter | |
JPS6391945A (en) | Ion beam device | |
Vishwakarma et al. | Ion beam optics elements of 50 keV table-top ion accelerator | |
Clark et al. | Design and Construction of the Axial Injection System for the 88-Inch Cyclotron | |
RU93016624A (en) | MAGNETIC LENS | |
SU790035A1 (en) | Method of obtaining image in electron-optical system | |
JP4374400B6 (en) | Magnetic ion beam scanner | |
SU873306A1 (en) | Mass spectrometer | |
UNIT | ION-OPTICS SYSTEMS OF MULTIPLY CHARGED HIGH-ENERGY IONS FOR HIGH EMITTANCE BEAMS | |
Kim et al. | Ray-tracing analysis of the Wien velocity filter for protons | |
بشرى جودة حسين | Theoretical Study to Calculate the Focal length of Focusing System from Plasma Source | |
Nunan | Alternating gradient lenses for reducing the Area of a Beam |