SE436962B - Race-track mikrotron for lagring av en energirik elektronstrale - Google Patents

Description

6303501-4 att hög elektronström är möjligt att uppnå med låg ström i acceleratorn. I en utföringsform av uppfinningen är strål- strömmen av storleksordningen 100 mA.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka fig. 1 visar en perspek- tivvy av en känd mikrotron, fig. 2 visar en översiktsvy av en race-track mikrotron med en lagringsbana enligt föreliggande uppfinning, fig. 3 visar en frontvy av en böjmagnet utförd i enlighet med föreliggande uppfinning, och fig. 4 visar schema- tiskt en septummagnet i ändvy sedd utmed linjen IV-IV i fig. 2 och i figuren åskådliggörs hur strålen från injektorn injice- ras i lagringsbanan. Fig. 5 visar_schematiskt svängningsrörel- sen - sedd i ett plan vinkelrätt mot böjmagnetens böjnings- plan- för en elektron som avger en foton - och fig. 6 visar jämviktsbanan - sedd i böjmagnetens böjningsplan - för en elek- tron som avger en foton.

Fig. 1 visar det allmänna utseendet av en känd race-track mik- rotron. Elektroner från en ej visad elektronkälla, accelereras i en linjär accelerator, benämnd linac 1, och går in i utrym- met mellan två motstående polplattor av en dipolmagnet, även benämnd böjmagnet 2, där den accelererade partikeln beskriver en halv cirkelbana och går ut ur böjmagneten 2 utmed en förs- långsträckt, rak bana 3 in i ett motsvarande gap mellan pol- ytorna av en andra dipolmagnet 4, även kallad böjmagnet, där den accelererade partikeln ånyo beskriver en halvcirkelbana för att<fi&efiæx lämna böjmagneten 4 i en bana som går genom den linjära acceleratorn 1, i vilken partiklen accelereras ännu en gång, böjs i böjmagneten 2, lämnar denna utmed en ny långsträckt rak bana belägen utanför banan 3, böjs_i magneten 4, lämnar denna i en bana som går genom den linjära accelera- torn 1 och sammanfaller med den tidigare banan genom nämnda accelerator, varefter partikeln accelereras ännu en gång och det ovan beskrivna förloppet upprepas medan den accelererade partikeln kommer att röra sig i banor som får successivt stör- re diameter och som visas med den allmänna hänvisningsbeteck- ningen 5 i fig. 1. Det inses såeldes, att partikeln accelere- ezozso1-4 ras varje gång den passerar genom den linjära acceleratorn 1.

Banorna har formen av en kapplöpningsbana, därav mikrotronens namn. Utseende av en sådan bana framgår tydligare av fig. 2.

Den tid det tar för en accelererad partikel att tillryggaläg- ga ett varv är i storleksordningen 50 ns och den linjära acceleratorn aktiveras eller drivs med en frekvens på 3 GHz.

Fig. 2 visar en översiktsvy av en race-track mikrotron enligt föreliggande uppfinning. Mikrotronen innefattar på känt sätt en linjär accelerator 1 anordnad mellan tvâ dipolmagneter, även benämnda böjmagneter 6, 7. Den yttersta race-track-forma- de banan, dvs. den bana som innehåller elektroner med den högs- ta energin betecknas med 8 och i nära anslutning till denna bana finns en deflektionsmagnet 9' och en septummagnet 9" som visas schematiskt i fig. 2 och vars närmare utseende framgår av fig. 4. Utanför septummagneten 9" befinner sig en lagrings- bana 10, även kallad lagringsring för de accelererade högenergielektronerna. Lagringsbanan 10 befinner sig således inuti mikrotronen, vilken således utgör en injektor för in- jicering av accelererade elektroner till lagringsbanan. Utmed lagringsbanan finns ett antal magnetlinser, s.k. kvadrupoler 11 anordnade för fokusering av elektronstrålen. Vidare finns i lagringsbanan ett antal sextu-poler 12, vilkas uppgift kan sägas vara att införa vissa korrektioner av fel i lagringsbanan. Enheterna 11 och 12 är välkända för fackman- nen och deras inbördes placering behöver inte beskrivas närma- re. I den visade utföringsformen av uppfinningen anordnas dess- utom två s.k. WIGGLER-magneter 13 i lagringsbanan 10. WIGGLER- magneterna 13 anordnas symmetriskt med avseende på avböjnings- magneterna 6, 7, t.ex. på det i fig. 2 visade sättet. WIGGLER- magneternas uppgift är att alstra synkrotronljus, vilket sche- matiskt markeras av pilarna 14. WIGGLER-magneterna är kända och finns t.ex. beskrivna i IEEE transactions of Nuclear Science, Vol. NS-28, No. 3, June 1981. Synkrotronljus alstras även, ehuru i mindre utsträckning, inuti böjmagneterna oberoende av WIGGLER-magneterna. I syfte att kompensera för energiförluster till följd av synkrotronljus anordnas i lag- ringsbanan 10 en i sig känd kavitet 15. Slutligen finns i lag- azozso1-4 ringsbanan 10 en s.k. kickermagnet 16 av konventionell typ, t.ex. av samma typ som finns i den ovan nämnda BESSY-synkro- tronen i Berlin. Kickermagnetens 15 funktion är att vid sin aktivering störa elektronströmmen i lagringsbanan 10 på ett sätt, som kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till fig. 4, vilken visar septummagneten 9" och dess septum 17, vilken tjänstgör såsom skiljevägg och sträcker sig mellan septummagnetens 9" skänklar. Septummagneten är en elektromag- net, som matas med ström, vilken går genom en spole 18. Själ- va septum 17 kan utgöras av en kopparplatta vars tjocklek, sett i riktningen för elektronernas rörelseriktning utmed lagringsbanan 10 - minskar från t.ex. 2 mm i ingångsänden till t.ex. 0,5 mm vid utgångsänden.

Elektronerna i lagringsbanan rör sig i en jämviktsbana 19, som sluter sig i sig själv, dvs. en elektron i denna bana återkommer till samma plats varv efter varv. Elektroner som inte går i jämviktsbanan svänger omkring denna. Elektronerna i den yttersta banan 8 avböjs mot septummagneten 9" medelst deflektionsmagneten 9' och med hjälp av septummagnetens 9" magnetfält injiceras de avböjda elektronerna in i en bana nära jämviktsbanan 19. För att undvika att de injicerade elek- tronerna efter ett eller ett fåtal varv i lagringsbanan 10 kolliderar med septum 17 störs den nämnda jämviktsbanan 19 med hjälp av kickermagneten 16, så att den i injektionsögon- blicket, dvs. det ögonblick då partiklar injiceras i lagrings- banan, befinner sig i det med streckade linjer markerade lä- get 20 närmare septum 17. När elektronerna därefter injice- ras, vilket sker genom aktivering av septummagneten, kommer de injicerade elektronerna att svänga omkring den störda jäm- viktsbanan 20 med en amplitud, som svarar mot avståndet x mellan den injicerade strålen och den störda jämviktsbanans 20 läge i injektionsögonblicket. Genom att därefter, dvs. efter injiceringen, successivt minska kickermagnetens magnet- fält ökas den störda jämviktsbanans avstånd från septum 17 och de injicerade elektronerna kommer inte att kollidera med septum efter nâgra varv utan de kommer att svänga ostörda omkring den utåt från septum 17 sig flyttande jämviktsbanan. eaozso1-4 Efter injiceringen får man på detta sätt en mängd partiklar, som svänger runt den ostörda jämviktsbanan med svängningsamp- lituder, som definieras av avståndet x mellan den injicerade strålen och jämviktsbanan i injektionsögcnblicket.

Såsom ovan nämnts avger de accelererade partiklarna synkro- tronljus dels vid passage av WIGGLER-magneterna 13 och dels under böjningen i böjmagneterna 6 och 7. Sådant ljus avges när elektronernas energi är i storleksordningen ca 400 MeV.

När en elektron svänger omkring sin jämviktsbana och sänder uten:&nrm X utsätts elektronen för en rekyl. Om vi betraktar elektronens svängningsrörelse i ett plan vinkelrätt mot böj- magneternas böjningsplan, dvs. om vi betraktar elektronernas svängningsrörelse i transversell riktning kan rekylkraften uppdelas i två komponenter på det sätt som framgår av fig. 5.

Komponenten RT1 kompenseras i den nämnda kaviteten 15 i vilken partikelns energiförlust kompenseras. Komponenten R¿_ är all- tid motriktad partikelns rörelse och dämpar på så sätt elek- tronens svängningsenergi i den transversella riktningen. Dämp- ningstiden är typiskt i storleksordningen ms. Dämpningen ger sig till känna genom en kontraktion av strålen i den trans- versella riktningen, dvs. i den axiella riktningen vinkelrätt mot böjmagneternas böjningsplan.

Betraktas rekylens inverkan på en partikel i böjmagneternas böjningsplan, dvs. i den longitudinella riktningen är bilden något mer komplicerad. I det horisontella planet är partik- larnas jämviktsbana en funktion av elektronens energi. Partik- lar med högre energi har en jämviktsbana som mestadels lig- ger utanför den nominella jämviktsbanan 19 (räknat i förhål- lande till exempelvis septum). Om en elektron släpper en foton när den befinner sig utanför denna nominella jämviktsbana får den en ny jämviktsbana som är belägen innanför den föregående och partikeln ökar i detta fall sin svängningsamplitud. Detta finns åskådliggjort i fig. 6. Om å andra sidan elektronen be- finner sig innanför den nominella jämviktsbanan eller när en foton emitteras flyttas elektronens svängningsbana likaledes inåt men i detta fall minskar elektronens svängningsamplitud. 8303501 '-4 Elektronstrålens intensitet (dvs. antal partiklar per tidsen- het) är proportionell mot EZBZ (där E är elektronens energi och B är styrkan av magnetfältet). Enligt föreliggande uppfin- ning ordnas nu så, att magnetfältets styrka i böjmagneterna 6, 7 minskar med ökande radie, vilket medför att elektronernas svängningsamplitud dämpas i longitudinell riktning. Ett sådant med ökande radie minskande magnetfält ordnas enligt uppfinning- en genom att polytorna för böjmagneterna divergerar från var- andra på det i fig. 2 visade sättet i området utanför den yt- tersta banan 8. Genom denna åtgärd kommer således svängnings- amplituden för fotonemitterade elektroner att dämpas i alla riktningar och elektronstrålen kontraherar, dvs. drar sig sam- man eller populärt uttryckt, "svalnar". Genom att vänta en lämplig tid i storleksordningen 10 millisekunder efter inji- ceringen av elektroner i lagringsbanan kan enligt uppfinning- en tillkommande elektroner injiceras utöver de redan infånga- de. Genom att upprepa detta förfarande ernås successivt högre cirkulerande strömmar i lagringsbanan och de erhållna cirku- lerande strömmarna är avsevärt högre än de, som kan erhållas med en enstaka injektion. _ I en föredragen utföringsform av uppfinningen upptar mikro- tronen och dess lagringsbana ett ytbehov på 6,7 x 2,4 mg och den maximala elektronenergin är 420 MeV. Synkrotronljusets kritiska våglängd är i detta fall 17,6 Å och en elektron löper runt 21 varv innan den när den yttersta banan 8. Den lagrade elektronstrålens effekt är 275 W och strålströmmen är 100 mA.

Magnetfältet mellan dipolmagneternas 6 resp. 7 polstycken är 1,75 T (Tesla) och avtar - räknat från den sista banan 8, ut- åt för att vara ca 1,4 T i området för lagringsbanan 19. Av- ståndet mellan den sista banan 8 och lagringsbanan 19 är 20 cm.

Den ovan beskrivna utföringsformen av uppfinningen kan på många olika sätt modifieras och varieras inom ramen för upp- finningens grundtanke.

Claims (6)

830350141 Patentkrav

1. Race-track mikrotron för lagring av en energirik elek- tronstråle, innefattande en mellan två böjmagneter (6, 1) anordnad, linjär accelerator (1) för accelerering av elektro- ner genom att dessa förs ett upprepat antal gånger genom den linjära acceleratorn, vilka elektroner därvid rör sig i race- track-formade banor (3... 8) med successivt ökande diametrar, en deflektionsmagnet (9') och en septummagnet (9"), vilka är anordnade i anslutning till banan (8) med den största diame- tern, samt en kickermagnet (16), k ä n n e t e c k n a d av en i sig själv sluten lagringsbana (10) för accelererade elektroner anordnad utanför septummagneten (9") och i polga- pet för vardera böjmagneten (6. 7), vilken kickermagnet (16) är anordnad i nämnda lagringsbana (10).

2. Race-track mikrotron enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a d av att de två motstående polytorna i vardera böjmagne- ten (6.7) divergerar utåt räknat från en plats belägen i om- rådet för banan (8) med den största diametern.

3. Race-track mikrotron enligt krav 2, varvid elektronerna i lagringsbanan (10) har en energi på minst ca 400 MeV, k ä n n e t e c k n a d av att magnetfältet i området för banan (8) med den största diametern är i storleksordningen 1,75 T och att det avtar successivt för att i omrâdet för lagringsbanan (10) vara ca 1,4 T, samt att avståndet mellan de nämnda banorna (8, 10) är ca 2 dm.

4. Race-track mikrotron enligt krav 3, k ä n n e t e c k - n a d av att i lagringsbanan är infört en WIGGLER-magnet (13) för alstring av synkrotronljus, samt att i lagringsba- nan (10) är infört en kavitet (15) för kompensering av den lagrade strålens energiförlust till följd av avgivet synkro- tronljus.

5. Race-track mikrotron enligt krav 4, k ä n n e t e c k - n a d av att WIGGLER-magneten har styrkan 6 T, varigenom 9503501-4 kritiska våglängden för synkrotronljuset blir ca 17 Å och att magnetfältet för böjmagneterna är 1,75 T, varigenom kröknings- radien för race-track-banorna blir ca 0,8 meter.

6. Sätt att i en race-track mikrotron lagra en energirik elektronstråle, vilken race-track mikrotron innefattar en mellan två böjmagneter (6, 7) anordnad linjär accelerator (1) för accelerering av elektroner genom att dessa förs ett upp- repat antal gånger genom den linjära acceleratorn, varvid de accelererade elektronerna kommer att röra sig i race-track- formade banor med successivt större diametrar, en deflektions- magnet (9') och en suptummagnet (9“) anordnade i anslutning till banan (8) med den största diametern, samt en kickermag- net för störning av jämviktstillståndet av en elektronbana, k ä n n e t e c k n a t av att kicker-magneten förläggs i en lagringsbana (10) belägen utanför banan (8) med den största diametern och att den aktiveras för att temporärt flytta jäm- viktsbanan (19) för elektronerna i lagringsbanan (10) till i närheten av septummagnetens (9) septum (17), att elektro- nerna i banan (8) med den största diametern injiceras i den temporärt inflyttade lagringsbanan (20) genom aktivering av septummagneten, och att kickermagneten H6) dänääær sxnessrflzde- aktiveras, varvid jämviktsbanan för lagringsbanan rör sig ut- åt och kontraheras bl.a. till följd av att magnetfältet mel- lan böjmagneternas polytor minskar i riktning utåt räknat från området för banan (8) med den största diametern.