RU2063108C1 - Multiple-pole magnetic lens - Google Patents

Multiple-pole magnetic lens Download PDF

Info

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
Application number
RU93016624A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93016624A (en
Inventor
М.А. Алексеев
В.Н. Канунников
И.И. Логачев
А.И. Шаповалов
Original Assignee
Московский радиотехнический институт РАН
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 Московский радиотехнический институт РАН filed Critical Московский радиотехнический институт РАН
Priority to RU93016624A priority Critical patent/RU2063108C1/en
Publication of RU93016624A publication Critical patent/RU93016624A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2063108C1 publication Critical patent/RU2063108C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electric engineering. SUBSTANCE: device has poles, windings and chokes of magnetic circuit, which provide two dipole flat parallel magnets. Middle planes of inter-pole spaces coincide with lens focal plane. Projection of poles of magnets to focal plane provide shape of sectors which vertex is directed towards symmetry axis of lens and are displaced with respect to it. Chokes of magnetic circuit may be shared by both magnets and be bonded by non-magnetic pins. EFFECT: non-linear focusing of beams of charged particles. 2 cl, 4 dwg

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

Figure 00000002

в котором α угол сектора (радиан),
Е-полная энергия частиц (электронвольт),
Figure 00000003
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
Figure 00000002

in which α is the angle of the sector (radian),
E-total particle energy (electron volt),
Figure 00000003
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 E 10 7 eV at B 1000 G and L 100 cm, we obtain α≈0.59 rad ≈ 34 ° .

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

Figure 00000004
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 field windings 2 and one yoke of the magnetic circuit 3. Pole 1 in the projection onto the middle plane A-A 'of the interpolar gap h, combined with the focus plane lenses have the shape of a sector with an angle at the apex α. The top of the sector is offset relative to the axis of the lens OO 'by a distance d. The excitation windings 2 of one magnet are turned on in the opposite direction to the windings of the other, which is indicated in FIG. 1 by arrows indicating the direction of the magnetic field induction vector
Figure 00000004
in the pole gap.

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 yoke 3 of the magnetic circuit connects the poles with the on-off windings and is pulled together by non-magnetic studs 4. The remaining lens components in FIG. 2 and the designations on it are the same as in FIG. 1.

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 clarity 3 and 4 show a beam of particles whose trajectories at the entrance to the lens are parallel to its axis. Particles passing near the axis of the lens (trajectories 6 and 6 ') are not affected by the magnetic field of the lens, the trajectories remain parallel to the axis. The trajectories 7 and 7 ', 8 and 8', the removal of which from the axis of the lens exceeds the amount of displacement d of the vertex of the sector poles of the lens, are deflected by its magnetic field. This deviation is the stronger, the farther the trajectory is from the axis, since with increasing distance from the axis the width of the magnetic field increases due to an increase in the width of the sector pole. The magnitude of the angle α of the sector α and the induction of the field B are selected so that the extreme paths of the beam 8 and 8 'after passing through the lens hit the target 5 at a point lying on the axis O-O'. Intermediate trajectories 7 and 7 'after deflection by the lens will come to the target with a smaller deviation towards the axis.

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 2 o ), (2)
и ограниченное по координате х величиной х 2хo. В точке х хo плотность равна половине плотности на оси пучка

Figure 00000005
.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 2 o ), (2)
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
Figure 00000005
.

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 target 5, the displacement of the top of the sector pole is chosen to be d x o , and other lens parameters are determined from the condition that the extreme trajectory starting at x 2 x o hits the intersection of the surface of target 5 with the axis of the lens . Calculations show that the fulfillment of this condition corresponds to the above relation (1), which relates the parameters of the lens and the beam. In this case, the density distribution 10 on the target is obtained by adding the undistorted central part (region 0≅х≅х o ) of the distribution 11 at the entrance to the lens and the inverted “tail” part of this distribution 12 (region х o ≅х≅2х o see FIG. 4). As a result, the resulting irregularity of the target irradiation does not exceed ± 5%, as calculated, and the width of the irradiation field in the focusing plane is 2d.

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)

1. Многополюсная магнитная линза, включающая полюса, охваченные обмотками возбуждения, и ярма магнитопровода, соединяющие полюса, отличающаяся тем, что полюса, обмотки и ярма образуют два дипольных плоскопараллельных магнита, установленных так, что средние плоскости межполюсных зазоров магнитов совмещены с плоскостью фокусировки линзы, обмотки одного дипольного магнита включены встречно обмоткам другого магнита, причем полюса в проекции на плоскость фокусировки имеют форму секторов, вершины которых обращены в сторону оси симметрии линзы и смещены относительно нее. 1. A multi-pole magnetic lens including poles covered by field windings and a yoke of a magnetic circuit connecting the poles, characterized in that the poles, windings and yokes form two dipole plane-parallel magnets mounted so that the middle planes of the inter-pole gap of the magnets are aligned with the focusing plane of the lens, the windings of one dipole magnet are turned on in the opposite direction to the windings of another magnet, and the poles in the projection onto the focus plane are in the form of sectors whose vertices face the axis of symmetry PS and offset relative thereto. 2. Линза по п. 1, отличающаяся тем, что ярма магнитопровода выполнены общими дня обоих магнитов и стянуты дополнительно введенными немагнитными шпильками. 2. The lens according to claim 1, characterized in that the yokes of the magnetic circuit are made common by the day of both magnets and are pulled together by additionally inserted non-magnetic studs.
RU93016624A 1993-04-01 1993-04-01 Multiple-pole magnetic lens RU2063108C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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