Synchrotronstrahlungsquelle
Die Erfindung betrifft eine Syπchrotronstrahlungsquelle mit einem Strahlführungssystem zur Beschleunigung und Speicherung eines Teilchenstrahls aus Elektronen oder Positronen auf einer geschlossenen Bahn.
Synchrotronstrahlungsquellen dieser Art, wobei unter anderem aus supraleitfähigen Wicklungsanordnungen gebildete Magneten verwendet werden, sind nicht nur für vielerlei Anwendungen in der physikalischen Forschung bestimmt, sondern sie werden auch als Röntgenquellen zu Zwecken der Lithographie, insbesondere bei der Halbleiterchipherstellung, eingesetzt.
Die Synchrotronstrahlung entsteht dann, wenn ein Teilchenstrahl aus Elektronen oder Positronen von einer geraden Bahn abgelenkt wird. In der Regel wird der Teilchenstrahl in einem Strahlführungssystem auf einer geschlossenen Bahn geführt (gespeichert), und es wird die Synchrotronstrahlung verwendet, die in den zur Krümmung der Bahn notwendigen Ablenkmagneteπ entsteht. Für besonders effiziente Erzeugung von Synchrotronstrahlung sollte die Bahn mit möglichst kleinem Krümmungsradius gekrümmt sein; dazu sind relativ hohe Magnetfelder erforderlich, die in wirtschaftlicher Weise praktisch nur mit supraleitfähigen Magneten erzeugbar sind.
Syπchrotronstrahlungsquellen mit supraleitfähigen Magneten werden z. B. in der EP-C-0 208 163, der EP-A-0 277 521 sowie der DE-A-31 48 100 beschrieben. Im einfachsten Fall, siehe DE-A-31 48 100, besteht die Synchrotronstrahlungsquelle aus einem Elektronen-Speicherring mit supraleitfähigem Magnetsystem. Eine derartige Synchrotronstrahlungsquelle ist besonders kompakt, jedoch ist die tatsächliche Realisierung aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse schwierig. Entsprechend wird in der EP-A-0 208 163 vorgeschlagen, das
Strahlführungssystem für den Elektronenstrahl nicht ringförmig
auszubilden, sondern zwei beabstandet voneinander angeordnete supraleitende Ablenkmagnete vorzusehen, wodurch die
Teilchenbahn eine "Rennbahn"-Form erhält mit zwei geraden Bahnabschnitten, in denen Einrichtungen zur Beschleunigung sowie zur Injektion und/oder Extraktion der Teilchen angeordnet werden können. Weiterbildungen einer derartigen Synchrotron- strahluπgsquelle sind beispielsweise der EP-A-0 277 521 entnehmbar.
Der DE-A-31 48 100 und der EP-A-0 277 521 sind auch Hinweise zur Ausbildung einer Synchrotronstrahlungsquelle zur Verwendung bei Prozessen wie Röntgenlithographie und Röntgenmikroskopie, insbesondere unter dem Aspekt der Wahl der Energie der einzuspeichernden Teilchen und der entsprechenden Auslegung der Magnete, zu entnehmen. Speziell die Verwendung von Synchrotron¬ strahlungsquellen zur Herstellung integrierter Schaltkreise oder dergleichen mit Strukturen im Submikrometerbereich ist ein wichtiges industrielles Anwendungsgebiet.
Als unter Umständen nachteilig an den bekannten Konfigurationen ist die problematische Handhabung der supraleitenden Magneten zu sehen; einerseits sind an die mechanische Auslegung der Magneten höchste Anforderungen zu stellen, was entsprechend hohe Herstellungskosten nach sich zieht, und andererseits ist die Beaufschlagung supraleitender Magnete mit zeitlich vari¬ ierendem Strom (wie z. B. erforderlich bei der Beschleunigung eines Teilchenstrahls auf eine vorgegebene Energie), unter anderem aufgrund der dabei entstehenden Wirbelströme in den Haltestrukturen der Magnete, sehr schwierig. Darüber hinaus ist es in der Regel wünschenswert, in einem Strahlführungssystem zur Speicherung eines Teilchenstrahls Einrichtungen zur Fokussierung des Teilchenstrahls vorzusehen, um gute Strahleigenschaften über längere Zeiträume hinweg zu sichern und Intensitätsverluste nach Möglichkeit zu vermeiden. Aus der GB-A-2 015 821 geht ein Strahlführungssystem hervor, das mit vier achromatischen Ablenkmagneten aufgebaut ist und keinerlei
Fokussierungseinrichtungen enthält. Achromatische
Ablenkmagnete, die auch als Spiegelmagnete bezeichnet werden können, werden z. B. beschrieben in dem Aufsatz "Achromatic Magnetic Mirror for Ion Bea s" von H. A. Enge, Rev . Sei. Instr..34. (1963) 385. Ein Strahlführungssystem gemäß der
GB-A-2 015 821 ist zur Speicherung eines Teilchenstrahls über längere Zeiträume hinweg nicht geeignet; der Teilchenstrahl geht nach wenigen Umläufen in dem Strahlführungssystem verloren, wenn er vorher nicht zur Weiterleitung extrahiert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Synchrotronstrahlungsquelle mit einem Strahlführungssystem, das sowohl die Beschleunigung als auch die längerfristige Speicherung eines Teilchenstrahls aus Elektronen oder
Positronen erlaubt und in dem die Verwendung supraleitender Magnete weitestgehend einschränkbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Synchrotronstrahlungsquelle angegeben, die ein Strahlführungssystem zur Speicherung eines Teilchenstrahls aus Elektronen oder Positronen auf einer geschlossenen Bahn aufweist, wobei das Strahlführuπgssyste mindestens einen etwa achromatischen Spiegelmagneten enthält, der aus supraleitfähigen Wicklungsanordnungen gebildet ist und in dem die Bahn um etwa 270° gekrümmt ist.
Gemäß der Erfindung kann die Verwendung von Supraleitern beschränkt werden auf diejenigen Komponenten des Strahlführuπgssystems, die speziell zum Zwecke der Synchrotronstrahlungserzeugung vorgesehen sind; konkret enthält die erfiπdungsgemäße Synchrotronstrahlungsquelle zumindest einen Spiegelmagneten, der Wicklungsanordnungen aus supraleitfähigen Strängen aufweist und in dem die Bahn um etwa 270° gekrümmt ist, wobei sie sich selbst in einem Kreuzuπgspunkt kreuzt, dessen Lage weitgehend unabhängig von der Energie des die Bahn durchlaufenden Teilchenstrahls ist
(diese Eigenschaft begründet das Attribut "achromatisch").
Während der Beschleunigung eines in das Strahlführungssystεm injizierten Teilchenstrahls auf eine vorgegebene Endenergie braucht der einen achromatischen Spiegelmagneten durchsetzende elektrische Strom nicht verändert zu werden; beim Betrieb einer erfinduπgsgemäßen Synchrotronstrahlungsquelle können daher im wesentlichen alle Probleme vermieden werden, die mit der Veränderung der magnetischen Erregung eines supraleitenden Magneten verbunden sind. Durch den großen Ablenkwinkel des Spiegelmagneten von 270 ° ergibt sich ein großer Winkelbereich, in den die erzeugte Synchrotronstrahlung abgestrahlt wird; mithin kann eine Synchrotronstrahlungsquelle gemäß der Erfindung von vielen Benutzern gleichzeitig in Anspruch genommen werden.
Das übrige Strahlführungssystem einer erfindungsgemäßen Synchrotronstrahlungsquelle kann in konventioneller Technik aufgebaut werden, wobei Ablenkmagnete (Dipole) und Fokussierungsmagnete (Quadrupole) entsprechend einschlägiger Kenntnis beliebig miteinander kombiniert werden können. Dabei ist es unter Umständen vorteilhaft, den minimalen Krümmungsradius jedes Ablenkmagneten größer zu wählen als den minimalen Krümmungsradius des Spiegelmagneten; damit wird die Erzeugung von Synchrotronstrahlung in den Ablenkmagneten reduziert. Dies bedeutet eine Verringerung der Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der in dem Strahlführungssystem vorzusehenden Beschleunigungseinrichtungen, die den durch die Erzeugung der Synchrotronstrahlung bedingten Energieverlust in den umlaufenden Strahlen kompensieren müssen, und auch kleinere Anforderungen an die aus Strahlenschutzgründen erforderlichen Abschirmungen der Ablenkmagnete.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung ist das in dem Spiegelmagnet erzeugbare Magnetfeld gekennzeichnet durch einen Feldindex, der zwischen etwa 0,8 und etwa 1,5 liegt. Das
Magnetfeld in einem Spiegelmagneten ist entlang einer ersten
Richtung konstant, und es ist veränderlich in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung derart, daß es zu einer bestimmten Potenz der Eindringtiefe, gemessen entlang der zweiten Richtung vom Eintrittspunkt an, proportional ist. Der Feldindex ist dabei der diese Potenz bezeichnende Exponent - weitere Ausführungen hierzu sind dem erwähnten Aufsatz von H. A. Enge zu entnehmen. Mit einem Feldindex der genannten Größe sind die Eigenschaften der Achromatizität am günstigsten erzielbar; insbesondere kann mit einem solchen Feldindex ein vollkommen afokaler Spiegelmagnet erhalten werden.
Günstig ist es weiterhin, den Spiegelmagneten so auszulegen, daß die Bahn in dem Spiegelmagneten um 270° gekrümmt wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin im Rahmen sämtlicher Ausgestaltung der Erfindung, den Spiegelmagneten mit mindestens einem Strahlrohr zur Auskopplung der Synchrotronstrahlung zu versehen. Mittels eines solchen Strahlrohrs kann die Synchrotronstrahlung sicher aus der Syπchrotronstrahlungsquelle zu ihrem Bestimmungsort geführt werden.
Synchrotronstrahlung zur Verwendung im Rahmen der Röntgenlithographie und dergleichen wird günstigerweise erzeugt von einem Teilchenstrahl, der aus Elektronen oder Positronen mit kinetischer Energie zwischen jeweils etwa 400 MeV und etwa 2000 MeV erzeugt wird.
Als untere Grenze für den Krümmungsradius eines nicht speziell zur Erzeugung von Synchrotroπstrahlung bestimmten Ablenkmagneten im Rahmen einer Synchrotronstrahlungsquelle für Zwecke der Röntgenlithographie oder dergleichen ist ein Wert von etwa 1 m zu nennen. Durch ausreichend hohe Krümmungsradien kann die in den Ablenkmagneteπ erzeugte Synchrotroπstrahlung auf einer insbesondere aus Strahlenschutzgründen unbedenklichen Intensität gehalten werden, so daß durch einfache
Abschirmmaßnahmen ein wirksamer Strahlenschutz erzielbar ist.
Selbstverständlich ergeben sich durch Ablenkmagnete mit großen Krümmungsradien gewisse Einbußen an die Kompaktheit der Synchrotronstrahlungsquelle; zur Anpassung des Strahlführungs¬ systems an konkrete räumliche Gegebenheiten (unter Umständen eine dreidimensionale Strahlführung) steht jedoch eine Fülle gestalterischer Möglichkeiten zur Verfügung, die im Rahmen vollständig supraleitender Synchrotronstrahlungsquellen in solcher Freiheit praktisch unrealisierbar wären.
in günstiger Ausbildung der Erfindung unterbleibt in dem Spiegelmagneten die Verwendung ferro agnetischer Joche im Bereich der gekrümmten Teilchenbahn im Inneren des Spiegelmagneten, und es werden ferromagnetische Bauteile allenfalls zu Abschirmzwecken eingesetzt. Ferromagnetische Bauteile zeigen bereits in moderat hohen Magnetfeldern deutliche Sättigungserscheinungen, so daß die Magnetfeldstärke in Anordnungen mit solchen Bauteilen auf Werte von höchstens etwa 2 Tesla beschränkt werden muß; die Auslegung eines Spiegelmagneten ohne ferromagnetische Bestandteile ermöglicht besonders hohe Felder, damit besonders kleine Krümmungsradien und besonders hohe Ausbeute an Synchrotronstrahlung.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der Synchrotronstrah¬ lungsquelle nach der Erfindung; Figur 2 und Figur 3 Skizzen zur Auslegung der Wicklungsanordnungen in einem Spiegelmagneten zur Verwendung gemäß der Erfindung.
Figur 1 zeigt schematisiert die Gesamtauslegung der erfindungsgemäßen Synchrotronstrahlungsquelle. Die Bahn 1, entlang der die zu beschleunigenden und/oder zu speichernden Elektronen oder Positronen sich bewegen, wird bestimmt durch
die verschiedenen Komponenten des Strahlführungssystems. Zu dem Strahlführungssystem gehören insbesondere der Spiegelmagnet 2, in dem die Teilchenbahn um 270° abgelenkt und in einer Schleife geführt wird, sowie Ablenkmagnete 3, 4 und Fokussierungsmagnete 5, 6. Die Ablenkmagnete 3, 4 produzieren im wesentlichen magnetische Dipolfelder zur Krümmung der Bahn 1; sie können ausgeführt werden sowohl als einteilige Ablenkmagnete 3 als auch als Kombinationen mehrerer Ablenkmagnete 4, wobei gegebenenfalls besondere Fokussierungsmagnete 5 hinzukombiniert werden können. Die Auswahl der Ablenkmagnete 3, 4 ist den jeweiligen Erfordernissen des Einzelfalls anzupassen; dabei kann über die Zahl der vorzusehenden Ablenkmagnete 3, 4, wie auch über den Ablenkwinkel jedes Ablenkmagneten, frei verfügt werden. Weiterhin weist das Strahlführungssystem Fokussierungs- magnete 5, 6 auf, die der Formung des Querschnitts des
Teilchenstrahls dienen und Intensitätsverlusten entgegenwirken. Dies ist um so mehr erforderlich, als eine industrielle Anwendung der Synchrotronstrahlungsquelle die Bereitstellung von Synchrotronstrahlung 15 in langfristig möglichst gleich- bleibender Art und Stärke erfordert. Je nach Anforderung werden gepaarte Fokussierungsmagnete 6 und/oder in Verbindung mit Ablenkmagneten 4 stehende Fokussierungsmagnete 5 eingesetzt. Selbstverständlich können in das Strahlführungssystem weitere Komponenten einbezogen werden, beispielsweise Einrichtungen zur Lageregelung des Teilchenstrahls in einer Ebene senkrecht zur jeweiligen Strahlrichtung. Üblich sind Einrichtungen zum Aufbau des Teilchenstrahls, beispielsweise ein Strahlinjektor 13, sowie Einrichtungen zur Beschleunigung der Teilchen und zur Kompensation ihres durch Erzeugung der Synchrotronstrahlung 15 eintretenden Energieverlustes, beispielsweise ein Hochfrequenz- Resonator 14. Synchrotroπstrahlung 15 wird erfindungsgemäß aus dem Spiegelmagneten 2 ausgekoppelt und durch Strahlrohre 7 der jeweiligen Verwendung zugeführt.
Figur 2 zeigt eine Wicklungsanordnung 8 aus supraleitfähigen Wicklungen 10, wie sie zur Bildung eines Spiegelmagπeten 2
eingesetzt werden könnte. Die Darstellung ist lediglich als Skizze zu betrachten-, die konkrete Auslegung der Wicklungen 10 ist mit üblichen Methoden den an den Spiegelmagneten 2 zu stellenden Anforderungen anzupassen. Jede Wicklung 10 weist einen Hauptabschnitt 11 auf, der parallel zu der die Bahn 1 enthaltenden Ebene, über dem die Bahn 1 enthaltenden Bereich des Spiegelmagneten 2, angeordnet ist. Die Hauptabschnitte 11 sind in gewissen Abständen voneinander angeordnet, so daß das gewünschte Feld in der Ebene der Bahn 1 erzielt wird. Die Wicklungen 10 sind geschlossen mittels Rückführabschnitten 12, die in abseits von der Bahn 1 liegenden Bereichen im Spiegelmagneten angeordnet sind. Zusätzlich zu der Wicklungsanordnung 8 sind Abschirmelemente 16 dargestellt, die einerseits die Bahn 1 außerhalb des Spiegelmagneten 2 von dessen Magnetfeld abschirmen und andererseits das durch die Rückführabschnitte 12 erzeugte Feld von der Bahn 1 fernhalten.
Figur 3 zeigt die räumliche Anordnung zweier Wicklungsanord¬ nungen 8, 9 zur Bildung eines Spiegelmagneten. Der Aufbau der Wicklungsanordnungen 8, 9 mit Hauptabschnitten 11 und
Rückführabschnitten 12 wurde bereits erläutert; die obere Wicklungsanordnung 8 und die untere Wicklungsanordnung 9 sind im wesentlichen deckungsgleich mit gewissem Abstand übereinander angeordnet, und die Teilchen bewegen sich etwa in der mittig zwischen oberer Wicklungsanordnung 8 und unterer Wicklungsanordnung 9 liegenden Ebene. Das Abschirmelement 16 weist eine Öffnung 17 auf, durch die ein Teilchen in das von den Wicklungsanordnungen 8, 9 erzeugte Magnetfeld eintritt. Die Rückführabschnitte 12 der Wicklungsanordnungen 8, 9 sind jeweils zusammengefaßt zu kompakten Rückführstäben; damit kann den mechanischen Anforderungen an supraleitende Magnetanordnungen optimal Rechnung getragen werden.
Die Erfindung liefert eine Synchrotronstrahlungsquelle, die unter Nutzung sämtlicher Vorteile der Supraleiter deren
Nachteile weitestgehend vermeidet. Die Synchrotronstrahlungs-
quelle ist leicht handhabbar und ermöglicht die Erzeugung von Synchrotronstrahlung mit langfristig konstanten, besonders günstigen Parametern.