DE3704442A1 - Ladungstraegerstrahlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einem geladenen Strahl, der anschliessend als Ladungsträgerstrahl bezeichnet wird, arbeitende Vorrichtung, wie beispielsweise ein Synchrotron oder ein Speicherring, der einen Ladungsträgerstrahl, wie beispielsweise einen Elektronenstrahl, beschleunigt, den beschleunigten Strahl speichert und die Synchrotronstrahlung verwendet, die an den Strahlkrümmungsabschnitten erzeugt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung eines kryogenen Gefässes für einen supraleitenden Ablenkmagneten für einen Ladungsträgerstrahl (dieses Gefäss wird anschliessend gelegentlich als Kryostat bezeichnet), wie auch ein Verfahren zur Abschirmung von Streuströmen und zur Korrektur der Verteilung der Ablenkung des Magnetfeldes.

Fig. 1 zeigt schematisch die Betriebsprinzipien eines Speicherringes (100). In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen (1) eine Vakuumkammer, die einen Durchlass für einen Ladungsträgerstrahl bildet, (2) eine Vakuumkammer zur Führung der Synchrotronstrahlung, (3) einen Ablenkmagneten zur Krümmung des Ladungsträgerstrahls, (4) Synchrotronstrahlung, (5) eine Vakuumkammer zur Führung des Ladungsträgerstrahls in den Speicherring und (6) den Ladungsträgerstrahl. Die Vorrichtung und die Bauelemente, die keine unmittelbare Beziehung zur vorliegenden Erfindung haben, sind in Fig. 1 nicht dargestellt.

In der Praxis ist die Vakuumkammer (1) für den durch den Ablenkmagneten (3) hindurchtretenden Ladungsträgerstrahl mit einer Anzahl von Vakuumkammern (2) für die Synchrotronstrahlung ausgestattet, die relativ zueinander leicht versetzt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit stellt Fig. 1 die Verwendung einer einzigen Vakuumkammer für einen Ablenkmagneten (3) dar.

Der Betrieb des Speicherringes (100) vollzieht sich wie folgt. Ein Ladungsträgerstrahl (typischerweise ein Elektronenstrahl) (6), der nahe bis zur Lichtgeschwindigkeit beschleunigt ist, wird in den Speicherring (100) injiziert und der Strahl wandert durch einen Kreis von Vakuumkammern (1), während er durch die Ablenkmagnete (3) abgelenkt wird. Wird der Ladungsträgerstrahl (6) durch einen Ablenkmagneten (3) abgelenkt, so wird in Tangentialrichtung zur Strahlbahn eine Synchrotronstrahlung (4) erzeugt. Diese Strahlung hat ein breites Spektrum, das von weichen X-Strahlen bis zum sichtbaren Licht reicht und eine hervorragende Strahlungsquelle bildet.

Die Intensität der Synchrotronstrahlung (4) ist proportional zum Ladungsträgerstrahl-Strom, der seinerseits der Menge des Ladungsträgerstrahls im Speicherring proportional ist. Um den Ladungsträgerstrahl-Strom zu erhöhen, muss der Druck in den Vakuumkammern für den Ladungsträgerstrahl, die mit den Vakuumkammern für Synchrotronstrahlung verbunden sind, auf ein extrem hohes Vakuum verringert werden, das typischerweise innerhalb eines Bereiches von 1,33 10^-9 mbar bis 1,33 10^-10 mbar (10^-9 bis 10^-10 Torr) liegt.

Ein ultrahohes Vakuum der gleichen Grössenordnung ist ebenfalls zur Verlängerung der Lebensdauer des Ladungsträgerstrahls erforderlich. Wird kein ausreichendes Vakuum erzeugt, so prallt der Ladungsträgerstrahl mit den Gasmolekülen oder Gasionen in den Vakuumkammern zusammen, wodurch der Ladungsträgerstrahl-Strom abgeschwächt wird. Infolgedessen können weder der Ladungsträgerstrahl-Strom noch die Lebensdauer des Ladungsträgerstrahls erhöht werden; anders ausgedrückt, eine Synchrotronstrahlung hoher Intensität kann nicht für eine längere Zeitdauer erzeugt werden.

Fig. 2 zeigt eine typische Spulenwicklung für einen supraleitenden Magneten, der als Ablenkmagnet verwendet wird, wobei die Richtung des Stromflusses durch die Pfeile angegeben wird. Die in Fig. 2 dargestellten Spulen sind in einem Kryostaten angeordnet, um einen supraleitenden Ablenkmagneten zu ergeben. Fig. 3 zeigt im Querschnitt den Aufbau eines üblichen supraleitenden Ablenkmagneten, wie er beispielsweise in "IEEE Transaction of Magnetics", Bd. MAG-15, Nr. 1, Januar 1979, Seiten 131-133, beschrieben ist.

In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen (31) eine supraleitende Spule, (32) eine Spulenträgeranordnung, (33) flüssiges Helium zum Kühlen der Spule (31), (34) einen Heliumbehälter (vakuumbeständig), (35) einen wärmeisolierten Vakuumraum (der typischerweise auf einen Druck von etwa 1,33 10^-6 mbar (10^-6 Torr) evakuiert ist, (36) einen wärmeabschirmenden flüssigen Stickstoff, (37) einen (ebenfalls vakuumbeständigen) Stickstoffbehälter und (38) ein Vakuumgefäss.

Eine Vakuumkammer (1) für den Ladungsträgerstrahl dient ebenfalls als inneres Vakuumgefäss für den Magneten. Ein Ausführungsbeispiel der Richtung eines ablenkenden Magnetfeldes zur Ablenkung des Ladungsträgerstrahls ist durch den Pfeil angegeben. Obgleich dies nicht dargestellt ist, befindet sich ein Distanzstück zur Erzieleung eines Spaltes zwischen den einzelnen Bauelementen.

Eine Anwendung eines üblichen supraleitenden Ablenkmagneten bei einem Speicherring ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, in welcher eine Synchrotronstrahlung über eine Vakuumkammer (2) entnommen wird, die an der Seite des Vakuumgefässes (38) liegt. Die Vakuumkammer (2), die auch als innere Vakuumkammer für den Magneten dient, ist mit dem Vakuumgefäss (38) vakuumbeständig verbunden. Im dargestellten Beispiel ist die supraleitende Spule in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich einen oberen und einen unteren Abschnitt, die ausreichend voneinander im Abstand liegen, um die Vakuumkammer (2) für die Synchrotronstrahlung aufzunehmen.

Ein üblicher supraleitender Ablenkmagnet mit obigem Aufbau zeigt eine Hauptschwierigkeit: das ultrahohe Vakuum (1,33 10^-9 bis 1,33 10^-10 mbar) in den Vakuumkammern für den Ladungsträgerstrahl und die Synchrotronstrahlung sind mit dem wärmeabschirmenden Vakuum (etwa 1,33 10^-6 mbar) im Kryostaten durch die gleiche Vakuumwand (d. h. die Vakuumkammern (1) und (2) in den Fig. 3 und 4) verbunden, so dass, wenn sich das ultrahohe Vakuum verschlechtert und es erforderlich wird, die Vakuumkammern für den Ladungsträgerstrahl oder die Synchrotronstrahlung zu reparieren oder zu ersetzen, der Kryostat ebenfalls demontiert werden muss. Da Hochtechnikverfahren erforderlich sind, um ein ultrahohes Vakuum im Bereich von 1,33 10^-9 bis 1,33 10^-10 mbar) zu erreichen, wäre die Wahrscheinlichkeit, dass das ultrahohe Vakuum während des Betriebes des Speicherringes verschlechtert würde, beträchtlich grösser als die Wahrscheinlichkeit der Verschlechterung im wärmeisolierenden Vakuum im Kryostaten.

Fig. 5 zeigt eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung einer Art, die in "Superconducting Racetrack Electron Storage Ring and Coexistent Injector Microtron for Synchrotron Radiation" von T. Miyahara, K. Takata und T. Nakanishi in Technical Report of ISSP, Ser B Nr. 21, 1984, beschrieben wurde. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen (51) einen Septummagneten zum Injizieren von Ladungsteilchen in einen Speicherring, (52) supraleitende Spulen, die einen supraleitenden Magneten bilden, (53) ein Eisenjoch, (54) einen Quadropolmagneten, (55) einen Drosselmagneten (kickermagnet), (56) eine Hochfrequenzkammer, (57) einen Sectupolmagneten, (58) einen Monitor, (59) einen Oktupolmagneten, (60) eine Vakuumpumpe, (61) einen Synchrotronstrahlungsanschluss und (64) eine Vakuumkammer.

Es wird nunmehr der Betrieb der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung beschrieben. Geladene, auf eine ausreichende Geschwindigkeit beschleunigte Teilchen werden mit dem Septummagneten (51) in ihrer Bahn gekrümmt und in den Ring geführt. Die injizierten Teilchen werden anschliessend mit dem Quadrupolmagneten (54), dem Sextupolmagneten (57) und dem Oktupolmagneten (59) eingestellt, um sich längs vorgegebener Bahnen zu bewegen. Wird die Bewegungsrichtung der Teilchen mit dem Magnetfeld der supraleitenden Spulen (52) gekrümmt, so wird tangential zur Bahnbewegung der Teilchen eine Synchrotronstrahlung erzeugt. Die durch die Emission der Synchrotronstrahlung verlorengegangene Energie wird in der Hochfrequenzkammer (56) kompensiert, was eine ausreichende Energie liefert, damit sich die geladenen Teilchen fortwährend durch den Ring bewegen. Die ausgesandte Synchrotronstrahlung wird mittels des Synchrotronstrahlungsanschlusses (61) nach aussen geführt und als Strahlungsquelle verwendet.

Die in der Vorrichtung gemäss Fig. 5 verwendeten supraleitenden Spulen (52) haben ein gleichförmiges und sehr starkes Magnetfeld von etwa 4 Vs/m² (T). Im Vergleich hierzu haben der Quadrupolmagnet (56), der Sextupolmagnet (57) und der Oktupolmagnet (59) schwache Felder von etwa 1,4 Vs/m² (T). Der Ablenkradius (rho), die Energie der geladenen Teilchen (E) und das durch die supraleitenden Spulen (52) erzeugte Ablenkfeld (B) können durch B = E/0,3 rho in Beziehung gesetzt werden. Wird beispielsweise die gespeicherte Energie erhöht, um eine intensivere Synchrotronstrahlung zu entnehmen oder wird rho verringert, um die Gesamtgrösse der Vorrichtung zu verkleinern, so erhöht sich B zunehmend in einem solchen Ausmass, dass die erforderliche Grösse von B durch einen normal-leitenden Magneten nicht geliefert werden kann und nur durch die supraleitenden Spulen (52) erreicht wird. Jedoch verursacht das starke Feld des supraleitenden Magneten eine magnetische Sättigung oder Ungleichmässigkeit des Magnetfeldes, die zu einem erhöhten Streufluss an den Spulenenden führt. Der exzessive Streufluss beeinträchtigt entweder die Felder der nahegelegenen Magneten oder erteilt den geladenen Teilchen ein unerwünschtes Magnetfeld.

In Kürze, die übliche Ladungsträgerstrahlvorrichtung mit obigem Aufbau hat folgende Schwierigkeiten: Wird das ablenkende Magnetfeld erhöht, so tritt ein stärkerer Streufluss auf und beeinträchtigt die Gleichmässigkeit der in der Nachbarschaft des Ablenkmagneten liegenden Magnetfelder; darüber hinaus unterliegen die geladenen Teilchen, die sich auf vorgegebenen Bahnen befinden, der Einwirkung unerwünschter Felder und werden innerhalb des Ringes instabil, womit sie infolge einer Kollision gegen den Ringwand verschwinden. Das Problem des Streuflusses vergrössert sich, falls ein zunehmend stärkeres Ablenkfeld in solchen Fällen erforderlich ist, wenn eine starke Strahlung erhalten werden oder die Gesamtgrösse der Anordnung verringert werden soll.

Fig. 6a und 6b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der üblichen Ladungsträgerstrahlvorrichtung. Eine Kammer (71) für ein ultrahohes Vakuum, durch welche sich ein Ladungsträgerstrahl bewegt und welche auf einen Druck in der Grössenordnung von 1,33 10^-9 mbar (10^-9 Torr) evakuiert ist (und die anschliessend einfach als Vakuumkammer bezeichnet wird), besteht aus einer Anzahl von geradlinigen Abschnitten (71 a), in welchen sich der Ladungsträgerstrahl auf einer Geraden bewegt, sowie aus einer gleich grossen Anzahl von Abschnitten (71 b), in denen der Strahl abgelenkt wird. Ein Ablenkmagnet (72) wird durch supraleitende Ablenkspulen (73) gebildet (die anschliessend als supraleitende Spulen bezeichnet werden) und die in jedem der ablenkenden Abschnitte (71 b) angeordnet sind. Eine Gleichgewichtsbahn (74) für den Ladungsträgerstrahl wird innerhalb der Vakuumkammer (71) gebildet. Ein Ladungsträgerstrahlbereich (75) stellt den Raumbereich dar, in dem der Ladungsträgerstrahl vorliegt. Der Ladungsträgerstrahl wird in das System am Einlass (76) injiziert.

Es wird nunmehr die Betriebsweise des Systems nach Fig. 6 beschrieben. Nachdem der Ladungsträgerstrahl in die Vakuumkammer (71) durch den Einlass (76) injiziert wurde, bewegt er sich weiterhin längs der vorgegebenen Bahn (74), die durch den Ablenkmagneten (72) gebildet wird. Wird das System als Elektronenspeicherring verwendet, so erzeugt der Ladungsträgerstrahl eine Synchrotronstrahlung, wenn seine Bahn gekrümmt wird und die erhaltene Strahlung wird zur weiteren Verwendung entnommen. Ein Querschnitt des Strahls in der Vakuumkammer (71) hat ein gewisses Ausmass an Verbreiterung, um den Ladungsträgerstrahlbereich (75) zu bilden. Anders ausgedrückt, der Ladungsträgerstrahl besteht aus Teilchen, die sich weiterhin auf der Bahn (74) bewegen, während sie geringe Schwingungen durchführen. Es ist daher erforderlich, dem gesamten Teil des Ladungsträgerstrahlbereiches ein vorgegebenes Ablenkmagnetfeld aufzudrücken.

Wird der Strahl unterschiedlichen Grössen des Ablenkfeldes in verschiedenen Lagen des Ladungsträgerstrahlbereiches (75) unterworfen, so wird es unmöglich, den Ladungsträgerstrahlbereich (75) zu beschränken und die geladenen Teilchen stossen gegen die Wand der Vakuumkammer (71) und verlieren allmählich ihre Energie. Es wurden deshalb verschiedene Anstrengungen und Vorschläge gemacht, um ein ablenkendes Magnetfeld zu erzeugen, das ein maximales Ausmass an Gleichförmigekeit über den gesamten Ladungsträgerstrahlbereich (75) aufweist.

Besteht der Ablenkmagnet aus normal-leitenden Spulen, so ermöglicht die Verwendung eines Eisenjochs verhältnismässig leicht ein gleichförmiges Feld. Andererseits wurde die Anwendung von supraleitenden Spulen (73) vorgeschlagen, um ein stärkeres Magnetfeld zu erhalten und eine Verringerung der Gesamtgrösse der Anordnung. Wird jedoch ein Eisenjoch mit supraleitenden Spulen verwendet, so muss es in einem Kryostaten untergebracht werden und es treten Schwierigkeiten auf, in Verbindung mit der Wärmebelastung und der Trägervorrichtung, was zu einer Erhöhung der Gesamtgrösse des Ablenkmagneten oder der Kühlkosten führt. Wird kein Eisenjoch verwendet, wie in der üblichen Ausbildung gemäss den Fig. 6a und 6b, so kann der Ablenkmagnet kein gleichförmiges Feld in Radialrichtung des Ladungsträgerstrahlbereiches (75) erzeugen und leidet an einer unerwünschten Strahlverdichtung und einer verkleinerten Lebensdauer des Strahls.

Die vorliegende Erfindung wurde realisiert, um die vorausgehend aufgeführten Probleme des Standes der Technik zu lösen. Daher liegt der Erfindung die eine Aufgabe zugrunde, eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, dass Vakuumkammern repariert oder ersetzt werden können, ohne den Kryostaten auszubauen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung zu schaffen, in der der Streustrom im Feld eines Ablenkmagneten blockiert ist, so dass er nicht die Gleichmässigkeit des Feldes von benachbarten Magneten beeinträchtigt. Schliesslich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung zu schaffen, die eine gleichförmige Verteilung des Ablenkfeldes in seiner Radialrichtung ermöglicht.

Die erstgenannte, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, kann mittels einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung gelöst werden, in welcher das Vakuumgefäss sowohl von einer Vakuumkammer für den Ladungsträgerstrahl als auch von einer Vakuumkammer für die Synchrotronstrahlung getrennt ist. Eine Trennung zwischen diesen Bauelementen wird durch folgende Vorrichtung erreicht: Eine obere und eine untere Spule befinden sich in getrennten Behältern für flüssiges Helium und werden durch kryogene Trägerelemente gekoppelt; das Vakuumgefäss ist ferner in einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt und mit Durchtrittsöffnungen nur in den Bereichen versehen, in denen die kryogenen Trägerelemente montiert sind, und Dehnungsdichtungen sind an diesen Durchtrittsöffnungen vorgesehen, um die beiden Abschnitte der Vakuumkammer miteinander zu verbinden.

Die zweite, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird mittels einer Ladungsträgervorrichtung gelöst, die an beiden Enden eines Ablenkmagneten eine Abschirmung aufweist, um den Austritt jeglichen Streuflusses aus dem Magneten zu verhindern.

Die dritte, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mittels einer Ladungsträgervorrichtung gelöst, die supraleitende Spulen zur Ablenkung eines Ladungsträgerstrahls verwendet und die ein Magnetelement sowohl oberhalb als auch unterhalb einer Vakuumkammer oder in einem Teilbereich der Vakuumkammer selbst verwendet, um eine örtliche Korrektur der durch die supraleitenden Spulen gelieferten Feldverteilung zu erzielen.

Im Einklang mit dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung werden die oberen und unteren Spulen durch kryogene Trägerelemente gekoppelt, die ausserhalb der Behälter für das flüssige Helium vorgesehen sind und der obere und der untere Abschnitt des Vakuumgefässes werden durch dehnbare Vakuumverbinder an den Stellen gekoppelt, wo die kryogenen Trägerelemente diese Abschnitte durchdringen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass, falls eine Verschlechterung des ultrahohen Vakuums entweder in der Vakuumkammer für den Ladungsträgerstrahl oder in der Vakuumkammer für die Synchrotronstrahlung auftritt, der Magnet mühelos demontiert werden kann, indem die oberen und unteren Spulen getrennt werden, wodurch eine einfache Reparatur oder ein Ersatz der beiden Vakuumkammertypen möglich ist.

Gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Abschirmung an den beiden Enden des Ablenkelektromagneten vorgesehen, um jeglichen, vom Magneten kommenden Streufluss zu sperren. Die Abschirmung dient nicht nur dazu, den Streufluss des Ablenkmagneten daran zu hindern, die Gleichmässigkeit der Felder der nahegelegenen Magnete zu beeinträchtigen, sondern auch dazu, es den geladenen Teilchen zu ermöglichen, sich längs ihrer Bahnen im Ring weiterzubewegen, ohne dass sie durch unerwünschte Magnetfelder gestört werden.

Gemäss dem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Magnetelement vorgesehen, um die Feldverteilung des Ablenkmagneten zu korrigieren. Dieses magnetische Element dient dazu, ein gleichförmiges Feld über jenem Bereich zu liefern, wo der Ladungsträgerstrahl vorhanden ist, um dadurch eine Verringerung der Lebensdauer des Ladungsträgerstrahls zu erreichen. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung derartiger Magnetelemente die Herstellung einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die ein geringeres Gewicht und eine geringere Grösse aufweist und die eine geringere Wärmemenge erhält als bekannte Anordnungen, die ein Eisenjoch verwenden.

Zur Lösung der erfindungsgemäss zugrundeliegenden Aufgabenstellung ist die Ladungsträgerstrahlvorrichtung erfindungsgemäss gekennzeichnet durch Vakuumgefässe zur Aufnahme supraleitender Spulen in wärmeisolierter Weise, eine Ladungsträgerstrahl-Vakuumkammer, die einen Durchtritt für einen Ladungsträgerstrahl liefert, und eine Vakuumkammer für Synchrotronstrahlung, die mit der Ladungsträgerstrahl-Vakuumkammer gekoppelt ist und durch welche die Synchrotronstrahlung hindurchtritt, die vom Ladungsträgerstrahl bei dessen Krümmung durch die supraleitenden Spulen erzeugt wird, wobei die Vakuumgefässe von der Vakuumkammer für den Ladungsträgerstrahl lösbar sind.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 einen Grundriss eines Speicherringes, der das Prinzip seines Betriebes angibt,

Fig. 2 die Wicklung von supraleitenden Spulen zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips eines gemeinsamen supraleitenden Ablenkmagneten,

Fig. 3 ein Querschnitt durch einen üblichen supraleitenden Ablenkmagneten,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 3 gezeigten, supraleitenden Ablenkmagneten,

Fig. 5 einen Grundriss einer üblichen Ladungsträgerstrahlvorrichtung,

Fig. 6a und 6b eine weitere übliche Ladungsträgerstrahlvorrichtung, jeweils im Grundriss und in einer Teil-Schnittdarstellung,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines supraleitenden Ablenkmagneten entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 einen Querschnitt des Magneten nach Fig. 7,

Fig. 9a, 9b und 9c einen Teil einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung, jeweils im Grundriss, in Seitenansicht und in perspektivischer Darstellung, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht, die einen Teil einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt,

Fig. 11a und 11b eine weitere Ausführungsform der Erfindung, jeweils im Grundriss und in einem vergrösserten Querschnitt,

Fig. 12 eine Kennlinie, die den Vorteil der Ausführungsform gemäss Fig. 11 angibt, und

Fig. 13a, 13b, 14a, 14b jeweils eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 7 stellt einen supraleitenden Magneten zur Verwendung in einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung dar. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen (381) eine dehnbare Vakuumdichtung, wie beispielsweise einen Balg, (382) einen Flansch für die Vakuumdichtung (381) und (40) einen Turm mit einem Anschluss (41) zum Betrieb eines supraleitenden Ablenkmagneten (3), in welchem ein Einlass für flüssiges Helium, ein Einlass für flüssigen Stickstoff, ein Auslass für verdampftes Gas, Stromzufuhranschlüsse, verschiedene Geräteanschlüsse und dergleichen zusammen untergebracht sind.

Ein Querschnitt des Magneten, einschliesslich der Vakuumexpansionsdichtungen, ist in Fig. 8 dargestellt, wobei das Bezugszeichen (39) ein kryogenes Trägerelement, (370) eine Wärmeabschirmung für flüssigen Stickstoff und (371) eine Expansionsdichtung für die Wärmeabschirmung für flüssigen Stickstoff darstellt, die typischerweise in Gestalt eines Balgs oder als Metallgaze ausgebildet ist. In den Fig. 7 und 8 werden die Bauelemente, die identisch mit denen bei der Vorrichtung des Standes der Technik nach den Fig. 1 bis 4 sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die supraleitende Spule (31) ist in zwei getrennten Behältern (34) für flüssiges Helium untergebracht, wobei einer davon in der oberen Position und der andere in der unteren Position angeordnet ist. Die Stromzufuhrleitungen die Leitungen für flüssiges Helium und andere Bauelemente werden durch nicht dargestellte kryogene Dichtungen geführt und sowohl mit den oberen und unteren Spulen verbunden, die durch kryogene Trägerelemente (39) gekoppelt sind, die sich durch die Wände der Behälter (34) für das flüssige Helium erstrecken. Die kryogenen Trägerelemente (39) sind mit den Behältern (34) für das flüssige Helium beispielsweise mit Schrauben verbunden und können mühelos von diesen gelöst werden. Die starke Anziehungskraft, die durch die elektromagnetische Kraft zwischen den oberen und unteren supraleitenden Spulen gebildet wird (siehe die durch Pfeile in Fig. 2 angegebene Stromflussrichtung), werden durch die Trägerelemente (39) aufgenommen. Diese Anziehungskraft ergibt an den Dichtungen zwischen den Trägerelementen (39) und den Behältern (34) für das flüssige Helium eine Druckkraft, so dass diese Verbindungen durch eine einfache Verschraubung gebildet werden können. Die kryogenen Trägerelemente (39) sind von dehnbaren Dichtungen für die Wärmeabschirmung (371) für den flüssigen Stickstoff umgeben, die eine thermische Kopplung zwischen den oberen und den unteren Behältern (37) für den flüssigen Stickstoff und zwischen den oberen und unteren Wärmeabschirmungen (370) für den flüssigen Stickstoff bilden. Obgleich dies nicht dargestellt ist, werden Wärmeabschirmungen, die mit verdampftem Heliumgas gekühlt werden, häufig zwischen dem Abschnitt (34) (oder (39)) mit der Temperatur des flüssigen Heliums und dem Abschnitt (37) (oder (370) oder (371)) mit der Temperatur des flüssigen Stickstoffs angeordnet. Dehnbare Vakuumdichtungen (381) sind um die Dichtungen (370) vorgesehen, um die oberen und unteren Vakuumgefässe (37) an Flanschen (382) zu verbinden.

Der erfindungsgemässe supraleitende Ablenkmagnet hat den vorausgehend beschriebenen Aufbau und kann mühelos mittels der nachfolgenden Verfahrensweise abgebaut werden: Zunächst werden die dehnbaren Vakuumdichtungsflansche (382) von den Vakuumgefässen (38) gelöst und die dehnbaren Vakuumdichtungen (381) ziehen sich zusammen; anschliessend werden die dehnbaren Dichtungen (371) gelöst und ziehen sich zusammen; und schliesslich werden die kryogenen Trägerelemente (39) gelöst, um die Trennung des Magneten in seine oberen und unteren Abschnitte zu gestatten. Mittels dieser Verfahrensweise kann jeweils die Vakuumkammer für den Ladungsträgerstrahl und jene für die Synchrotronstrahlung mühelos repariert oder ausgetauscht werden.

Die vorausgehende Beschreibung unterstellt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einem Speicherring, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass gleichermassen gute Ergebnisse erzielbar sind, selbst wenn die Erfindung bei Synchrotronanlagen und anderen Beschleunigungsanlagen eingesetzt wird, die für die Synchrotronstrahlung keine Vakuumkammern verwenden.

Fig. 9a, 9b und 9c sind Teilansichten einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen (82) eine supraleitende Spule, (84) einen Quadrupolmagneten, (93) eine Gleichgewichtsbahn für geladene Teilchen, (94) eine Vakuumkammer, (95) eine Eisenabschirmung und (96) einen Bolzen, der zur Montage der Eisenabschirmung (95) verwendet wird. Die Eisenabschirmung (95) ist zwischen einem Ende der supraleitenden Spule (82) und dem Quadrupolmagneten (84) angeordnet und besteht aus vier Teilen, die mit Bolzen befestigt werden. Die erzeugten magnetischen Kraftlinien sind in Fig. 9b durch Pfeile angegeben.

Die Betriebsweise der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung wird nunmehr beschrieben. Wird ein Strahl geladener Teilchen injiziert, so wird deren Bahn zunächst durch den Quadrupolmagneten (84) korrigiert, dann unter Einfluss des von der supraleitenden Spule (82) erzeugten Ablenkfeldes beträchtlich gekrümmt. In der bekannten, in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung, ist die Grösse des Streuflusses der an beiden Enden der supraleitenden Spule (52) auftritt (d. h. am Injizierungsende und am Entnahmeende der Spule) gross, so dass die Gleichmässigkeit der Felder, die vom Quadrupolmagneten (54) und anderen Magneten erzeugt werden, die sich in der Nachbarschaft dieser Enden befinden, beeinträchtigt wird, so dass die gewünschte Korrektur der Bahn der geladenen Teilchen mittels des Quadrupolmagneten (54) verhindert wird. Die Exkursion der geladenen Teilchen aus ihrer ordnungsgemässen Bahn wird ferner dadurch verstärkt, dass sie einem ungewünschten Magnetfeld an den Enden der supraleitenden Spule (52) ausgesetzt sind.

Entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Abschirmung (95) an beiden Enden der supraleitenden Spule (82) vorhanden, so dass das Feld des Quadrupolmagneten (84) nicht durch den Streufluss an den Enden der Spule beeinträchtigt wird. Ferner tritt der grössere Teil des Streuflusses durch die Eisenabschirmung (95) von der Spule (82) nach aussen, ohne eine merkliche Wirkung auf die geladenen Teilchen auszuüben, die durch die Spule abgelenkt werden sollen. Daher wird bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Eisenabschirmung (95) in wirksamer Weise eingesetzt, um den Streufluss daran zu hindern, einen nachteiligen Einfluss auf den Quadrupolmagneten und die geladenen Teilchen auszuüben, und es wird möglich, den geladenen Teilchen zu erlauben, dass sie ihren Umlauf auf ihren ordnungsgemässen Bahnen fortsetzen.

Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der Quadrupolmagnet (84) neben der supraleitenden Spule (82), jedoch können, falls dies gewünscht ist, andere Magnete beispielsweise Sextupol- oder Oktupolmagnete, in diesem Bereich verwendet werden. Bei der gleichen Ausführungsform ist ein Spalt mit einer bestimmten Abmessung zwischen der Eisenabschirmung (95) und jedem Ende der supraleitenden Spule (82) vorhanden, jedoch kann als Alternative die Eisenabschirmung unmittelbar an einem Ende der supraleitenden Spule befestigt sein, so dass kein Spalt zwischen diesen beiden Bauelementen verbleibt. Diese alternative Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt, wobei die Bezugszeichen (82, 93, 94) die gleichen Bauelemente wie in Fig. 9 darstellen und das Bezugszeichen (95 a) die Abschirmung bezeichnet, die unmittelbar an einem Ende der supraleitenden Spule befestigt ist. Bei der zweiten in Frage stehenden Ausführungsform ist die Abschirmung abnehmbar dargestellt, jedoch kann sie einen einstückigen Teil der Vakuumkammer (94) bilden. In der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform besteht die Abschirmung (95) aus einer Anordnung von vier Teilen, jedoch kann sie aus einer beliebigen Anzahl von Elementen aufgebaut sein.

Die Fig. 11a und 11b zeigen eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen (107) ein magnetisches Element, das sowohl oberhalb als auch unterhalb der Vakuumkammer (101) ausgebildet ist und das zwischen der oberen und unteren Ablenkspule (103) liegt, und (108) bezeichnet einen Halter für die Magnetelemente (107), der zwischen denselben liegt und der aus nicht-magnetischem Werkstoff besteht. Die auf diese Weise angeordneten magnetischen Elemente (107) dienen dazu, ein gleichförmiges magnetisches Ablenkfeld über den gesamten Ladungsträgerstrahlbereich (105) zu liefern, wie sich aus der anschliessenden Erläuterung ergibt.

Die magnetischen Elemente (107) üben ihre erwarteten Wirkungen aus, solange sie aus einer üblichen Weichstahlsorte, aus reinem Eisen oder einem anderen, ähnlichen, ferromagnetischen Werkstoff bestehen. Jedoch sind Werkstoffe mit einem ausgeprägten Hystereseverhalten (beispielsweise einer grossen Koerzitivkraft oder einer grossen Remanenz) nicht geeignet. Die magnetischen Elemente können aus Werkstoffen bestehen, die völlig die gleichen sind, wie sie für die Eisenjoche oder für die Magnetpole in üblichen normal-leitenden Elektromagneten verwendet werden.

Da das magnetische Element (107) dem Magnetfeld ausgesetzt ist, das durch die supraleitende Ablenkspule (103) erzeugt wird, wird es bis zur Sättigungsmagnetisierung magnetisiert, deren Wert von dem Werkstoff abhängt, aus welchem es besteht (etwa 2,1 Vs/m² entsprechend 2,1 T für übliches Eisen oder reines Eisen). Da eine im wesentlichen gleichförmige Flussverteilung innerhalb eines magnetisierten Werkstoffes erzeugt wird, ist es leicht ersichtlich, dass die Verteilung der Magnetisierung im magnetischen Element (107) gleichförmig ist, abgesehen von den Ecken, wie dies bei (B) in Fig. 12 dargestellt ist. Somit wird eine zusätzliche Magnetfeldkomponente erzeugt, die im wesentlichen über den Ladungsträgerstrahlbereich (105) gleichmässig ist. Die schliesslich im Ladungsträgerstrahlbereich (105) gemäss der dritten Ausführungsform der Erfindung erhaltene Magnetflussverteilung besteht aus der Komponente (B), die auf der Komponente (A) überlagert ist, die durch die supraleitende Ablenkspule (103) bei Abwesenheit eines magnetischen Elementes erzeugt wird; daher wird die Gleichmässigkeit des zusammengesetzten Magnetfeldes in einem Umfang verbessert, der etwa der im wesentlichen gleichförmigen Komponente (B) entspricht. Diese Beziehung ist schematisch in Fig. 12 dargestellt, in welcher die gestrichelte Kurve die Daten darstellt, die erhalten werden, wenn ein Magnetfeld (Bo) erzeugt wird, indem gemäss dem Stand der Technik supraleitende Ablenkspulen allein verwendet werden.

Bei der vorausgehend erläuterten Ausführungsform ist das magnetische Element (107) sowohl oberhalb und unterhalb der Vakuumkammer (101) angeordnet, jedoch werden gleich gute Ergebnisse erhalten, falls das magnetische Element am Elektromagneten befestigt ist. Zur Erzielung einer maximalen Grössenverringerung befindet sich das magnetische Element (107) vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft der Vakuumkammer, wie dies in Fig. 11b dargestellt ist.

Die Fig. 13a und 13b zeigen zwei Abänderungen der in den Fig. 11a und 11b dargestellten Ausführungsform. In Fig. 13a ist das magnetische Element (107) leicht gegenüber dem Strahlmittelpunkt nach innen versetzt, so dass der fallende Abschnitt der Flussverteilungskurve nach Fig. 12 nach oben verschoben wird, um eine gleichmässigere Verteilung zu liefern. Die gleiche Wirkung wird durch die in Fig. 13b gezeigte Abänderung erhalten, wonach die Höhe des Trägers (108) an einer Seite der Vakuumkammer unterschiedlich gegenüber der Höhe des Trägers auf der anderen Seite gemacht wird, so dass der Abstand zwischen den beiden magnetischen Elementen (107) gegenüber dem Strahlmittelpunkt asymmetrisch wird.

Die beiden Abänderungen gemäss den Fig. 13a und 13b ermöglichen die Erzeugung eines räumlich gleichförmigen Magnetfeldes, indem die seitliche Versetzung der magnetischen Elemente (107) gegenüber dem Strahlmittelpunkt oder der Abstand zwischen diesen magnetischen Elementen entsprechend der jeweiligen Ausführung des Ablenkelektromagneten eingestellt wird.

In Kürze, diese Abänderungen bezwecken, den in Verbindung mit Fig. 12 beschriebenen erfindungsgemässen Vorteil zu erhöhen.

Die vorausgehend aufgeführten Wirkungen können ebenfalls durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung gemäss den Fig. 14a und 14b erhalten werden. Wie in den Fig. 14a und 14b dargestellt wird, ist diese Abänderung dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (101 b) mit magnetischen Elementen (107) und Trägern (108) ausgebildet ist und sie hat den Vorteil, dass eine gleichförmige Feldverteilung in einem Bereich erhalten werden kann, der näher zum Strahlraum liegt als bei den vorausgehenden Ausführungsformen. Als weiterer Vorteil ist die Anordnung der magnetischen Elemente (107) nicht durch die Abmessungen des Raumes zwischen den beiden Ablenkelektromagneten begrenzt. In dieser in Fig. 14 dargestellten, abgeänderten Ausführungsform sind die magnetischen Elemente (107) vorzugsweise an den Trägern (108) angeschweisst, damit eine hochvakuumdichte Abdichtung erhalten wird.

Wie vorausgehend beschrieben wurde, wird gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung ein supraleitender Ablenkmagnet in einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt und die beiden Abschnitte werden mittels kryogener Trägerelemente und Expansionsdichtungen in eine Einzeleinheit gekoppelt. Aufgrund dieses Aufbaus kann der Magnet mühelos demontiert und in seinen oberen und unteren Abschnitt zerlegt werden, wodurch es möglich ist, dass die Vakuumkammern für den Ladungsträgerstrahl oder für die Synchrotronstrahlung leicht von einem Speicherring zur Vorbereitung für ihre Reparatur oder ihren Austausch entfernt werden können.

Im Einklang mit dem zweiten Aspekt der Erfindung wird an den beiden Enden eines Ablenkelektromagneten in einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung eine Abschirmung derart angeordnet, dass sie jeglichen Streufluss blockiert, der am Magneten auftritt. Diese Abschirmung hindert einen derartigen Streufluss daran, irgendwelche nachteiligen Wirkungen an anderen Magneten und geladenen Teilchen auszuüben und es wird möglich, die geladenen Teilchen derart zu beschränken, dass sie ihren Umlauf in ihren ordnungsgemässen Bahnen fortsetzen.

Gemäss dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein magnetisches Element nur in begrenzten Bereichen (d. h. oberhalb und unterhalb) der Vakuumkammer vorgesehen und dies stellt eine wirksame Weise zur Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfeldes für supraleitende Ablenkspulen bei niedrigen Kosten dar, ohne dass eine wesentliche Erhöhung des Gewichtes, der Grösse oder der Wärmeeinströmung erfolgt. Durch Verwendung dieses Konzeptes kann eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung erzielt werden, die eine verlängerte Ladungsträgerstrahl-Lebensdauer aufweist.

Claims (8)

1. Ladungsträgerstrahlvorrichtung gekennzeichnet durch Vakuumgefässe (38) zur Aufnahme supraleitender Spulen (31) in wärmeisolierter Weise, eine Ladungsträgerstrahl- Vakuumkammer (1), die einen Durchtritt für einen Ladungsträgerstrahl liefert, und eine Vakuumkammer (2) für Synchrotronstrahlung, die mit der Ladungsträgerstrahl-Vakuumkammer gekoppelt ist und durch welche die Synchrotronstrahlung hindurchtritt, die vom Ladungsträgerstrahl bei dessen Krümmung durch die supraleitenden Spulen (31) erzeugt wird, wobei die Vakuumgefässe (38) von der Vakuumkammer für den Ladungsträgerstrahl lösbar sind.

2. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch kryogene Trägerelemente (39) zur Verbindung der oberen und unteren supraleitenden Spulen (31) über die Wände von Behältern (34) für flüssiges Helium, eine die kryogenen Trägerelemente (39) umgebende dehnbare Dichtung (371) für eine Wärmeabschirmung (370), die eine obere und untere Wärmeabschirmung verbindet, und eine dehnbare Vakuumdichtung (381), die die dehnbare Wärmeabschirmung (371) umgibt und das obere und untere Vakuumgefäss (38) miteinander verbindet.

3. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschirmung an den beiden Enden jeder supraleitenden Spule (31) angeordnet ist, um jeden Streufluss aus den Spulen zu blockieren.

4. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl magnetischer Elemente (107), die zwischen jeder supraleitenden Spule (103) und der Vakuumkammer (101 b) für den Ladungsträgerstrahl angeordnet sind, um die magnetische Flussverteilung in der Vakuumkammer für den Ladungsträgerstrahl derart zu korrigieren, dass sie in Radialrichtung flach über die Vakuumkammer verläuft.

5. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Elemente (107) an den beiden Hauptflächen der Vakuumkammer (101 b) für den Ladungsträgerstrahl befestigt sind.

6. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (101 b) für den Ladungsträgerstrahl in ihrem Querschnitt teilweise aus magnetischem Werkstoff hergestellt ist.

7. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Elemente (107) derart ausgebildet sind, dass sich der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren magnetischen Element über den Querschnitt des Elementes in Radialrichtung der Vakuumkammer (101 b) des Ladungsträgerstrahls endet.

8. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Elemente (107) oberhalb und unterhalb der Vakuumkammer (101 b) für den Ladungsträgerstrahl derart angeordnet sind, dass sie relativ zu einer Horizontalebene durch den Mittelpunkt der Vakuumkammer (101 b) symmetrisch liegen, aber asymmetrisch relativ zum Mittelpunkt einer Gleichgewichtsbahn des Ladungsträgerstrahls in dessen Radialrichtung.