DE3530446C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Synchrotron der im Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Ein Synchrotron ist ein Gerät zur Vergrößerung der Energie von
geladenen Teilchen dadurch, daß sie auf einer gekrümmten Bahn
in Umlauf gebracht werden und damit wiederholt durch einen
Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum hindurchgeführt werden,
vgl. hierzu US-PS 42 00 844 und DE 31 48 100 A1.
Ein Synchrotron wird für eine Anzahl
von Forschungs- und Herstellungsanwendungen verwendet, wobei
entweder die geladenen Teilchen oder die von diesen emittierte
Strahlung verwendet wird. Bei einer Anwendung sind die gelade
nen Teilchen Elektronen, ie zur Emission von Strahlung im "wei
chen" Röntgenstrahlbereich gebracht werden und Wellenlängen im
Bereich von 1 Å bis 100 Å aufweisen, wobei die Strahlung an
einer Tangente zur kreisförmigen Bahn der Elektronen abgegeben
wird und damit als bogenförmiger Strahl mit schmalem Winkel in
der Querrichtung emittiert wird.
Um eine Strahlung in diesem Bereich unter Verwendung von üb
lichen widerstandsbehafteten Elektromagneten zu erzeugen, müssen
die Abmessungen des Synchrotons ziemlich groß sein. Um bei
einem Synchroton unter Verwendung von Elektronen die Frequenz
der Strahlung zu erzeugen, die für die Röntgenstrahllithographie
erforderlich ist, müßte das Synchrotron beispielsweise einen
Durchmesser in der Größenordnung von 10 Metern oder mehr auf
weisen.
Zur Verringerung der Abmessungen von Synchrotron-Röntgentrah
lungsquellen ist es bereits bekannt (DE 31 48 100 A1) Supra
leiter zur Erzeugung des Magnetfeldes zu verwenden, das erfor
derlich ist, um die Elektronen auf der gekrümmten Bahn zu
halten. Trotz der Verwendung dieser supraleitenden Spulen ergibt
sich immer noch eine erhebliche Größe des Synchrotrons und die
Herstellung der Spulensätze ist aufwendig.
Beispielsweise wurden derartige supraleitende Spulen kreisförmig
ausgebildet, wobei der Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum in
der Öffnung der Spulen angeordnet ist. Weil der Hochfrequenz
hohlraum jedoch eine erhebliche Größe aufweisen muß, sind die
Größe, das Gewicht, der Kraftpegelund die gespeicherte Energie
des Magnetsystems alle entsprechend groß und daher aufwendig.
Weiterhin ist eine sehr starke Leistungsversorgung erforderlich,
was sich aus der großen Menge der elektrischen Energie ergibt,
die das System speichern muß.
Es ist weiterhin ein Synchrotron der eingangs genannten Art
bekannt (US-PS 42 00 844), bei dem die beiden Sätze von Spulen
so ausgebildet sind, daß sie die geladenen Teilchen auf unter
schiedlichen Radien um 180° umlenken. Hierbei sind die Spulen
nicht supraleitend ausgebildet und weiterhin verlaufen diese Spulen in einer Richtung
jeweils entlang der Außenseite der gekrümmten Bahn der geladenen
Teilchen und in Rücklaufrichtung diametral zur Bahn der geladenen Teilchen, so daß sie ein erhebliches Magnetfeld
erzeugen müssen, um entsprechende Polstücke zu aktivieren.
Schließlich sind auch supraleitende Dipolmagnete
für ein Synchrotron bekannt (Partiale Accelerators, Bd. 1 (1970) S. 173-175),
deren Hinlauf- und Rücklaufschenkel jeweils parallel
zur gekrümmten Bahn der geladenen Teilchen liegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Synchrotron der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Magnetgröße,
das Gewicht, der Kraftpegel und die gespeicherte Energie durch
die Verwendung einer äußerst kompakten Konstruktion der Sätze
von Spulen soweit wie möglich verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patent
anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Synchrotrons kann
die Magnetgröße, das Gewicht, der Kraftpegel und die gespeicher
te Energie durch die Verwendung einer äußerst kompakten Kon
struktion der Spulen sehr stark verringert werden, wobei die
zumindestens eine supraleitende Spule ein gleichförmiges Magnet
feld und die weitere supraleitende Spule ein Gradientenfeld er
zeugt. Das sich aus der Kombination dieser beiden Felder erge
bende Feld kann die Elektronen um die gewünschte Bahn herum
beschleunigen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand
der Zeichnungen näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ausfüh
rungsform des Synchrotrons,
Fig. 2 eine Teilschnittansicht entlang
der Linie B-B nach Fig. 1 in an
derem Maßstab.
In Fig. 1 ist die Bahn, der die Elektronen im Betrieb
flgen sollten, durch die unterbrochene Linie 10 ge
zeichnet. Die Linie 10 umfaßt zwei halbkreisförmige
Abschnitte 11, 12, die durch zwei geradlinige Abschnit
te 13, 14 miteinander verbunden sind und es ist zu er
kennen, daß auf diese Weise eine "Rennbahn"-Form gebil
det wird. Die gesamte Bahn 10 liegt in einer Vakuumkam
mer, die in den Zeichnungen nicht speziell dargestellt
ist. In dieser Kammer sind zwei Kryogen-Gefäße 16, 17
angeordnet, die jeweils einen Satz von supraleitenden
Spulen enthalten.
Elektronen werden in das Gerät mit Hilfe eines Injek
tors 22 injiziert, der Elektronen in einen Abschnitt 14
der erforderlichen Elektronenbahn mit einem Energiepe
gel von ungefähr 100 keV injiziert. Die Elektronen durch
laufen ein ein Beschleunigungsteil bildendes Transformatorbauteil 23, das einen Kern 25
und eine Reihe von Spulenwicklungen 24 aufweist. Dieses
Transformatorbauteil bewirkt eine Art von Transforma
torwirkung, die allgemein als "Betatron-Beschleunigung"
bekannt ist. Elektronen, die entlang der Bahn 10 lau
fen, werden durch das Beschleunigerteil wie in einem Transformator dadurch beschleunigt, daß die Elektronen den Win
dungen von Sekundärwicklungen entsprechen, so
daß ein den Spulenwindungen 24 zugeführter Strom die
entlang der Bahn 10 laufenden Elektronen beeinflußt und
die Elektronen können auf den erforderlichen Energiepe
gel von ungefähr 10 MeV durch geeignete Vergrößerung die
ses Stromes beschleunigt werden.
Diese Beschleunigung wird unter Begrenzung der Elektro
nen auf die Bahn 10 durch Vergrößerung des Stromes in
den Spulensätzen der Gefäße 16, 17 synchron mit der Ver
größerung des Stromes in dem Transformatorbauteil 23 er
zielt.
Einen Abschnitt 13 der Rennbahn-förmigen Bahn umgibt
ein Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 26, der die
Elektronen auf zwischen 10 und 600 MeV beschleunigt, und
zwar zusammen mit einer weiteren Vergrößerung des Stro
mes in den Spulensätzen der Gefäße 16 und 17. Der Hohl
raum 26 hält die Elektronen auf dem erforderlichen Ener
giepegel, wobei die in Form von Strahlung verlorengehen
de Energie ersetzt wird.
Unter näherer Bezugnahme auf Fig. 2 ist zu erkennen,
daß das Kryogen-Gefäß 16 in einem Gehäuse 20 eingeschlos
sen ist. Das Gehäuse weist eine Vertiefung 21 mit recht
eckförmigem Querschnitt auf, die sich um den gesamten
halbkreisförmigen Außenumfang des Gehäuses erstreckt und
die Bahn 10 für die Elektronen enthält. Die supraleiten
de Spule besteht aus sechs getrennten Windungen, von
denen vier so ausgebildet sind, daß ihre Haupt-Hin-
und Rücklaufschenkel parallel zur halbkreisförmigen
Bahn 10 liegen. So weist die oberste Spule gemäß die
ser Figur einen Hinlaufschenkel 30 a und einen Rücklauf
schenkel 30 b auf, und in gleicher Weise weisen die an
deren Spulen Hin- und Rücklaufschenkel 31 a und 31 b,
32 a und 32 b, 33 a und 33 b auf, die alle im wesentlichen
parallel zu dem halbkreisförmigen Bahnabschnitt 11 lie
gen.
Diese Spulen liegen alle auf einem Spulenkörper 39,
der aus nichtmagnetischem und nichtleitendem Material,
wie z. B. einem Epoxy-Harzmaterial hergestellt ist, und
sie bilden zusammen ein im wesentlichen gleichförmiges
Magnetfeld vollständig um die Vertiefung 21 herum. Zu
sätzlich ist, wie dies auch aus einem Vergleich mit
Fig. 1 zu erkennen ist, ein weiteres Paar von Spulen 34,
35 vorgesehen, bei dem die Schenkel 34 a, 35 a, parallel
zu dem Elektronenbahn-Abschnitt 11 liegen, wobei jedoch
die Rücklaufarme 34 b, 35 b sich diametral zu diesem ge
krümmten Bahnabschnitt 11 erstrecken. Die Spulen 34, 35
bilden ein Gradientenfeld vollständig um die Vertiefung
21 herum, wobei dieses Gradientenfeld eine höhere Inten
sität am radial innenliegenden Teil der Vertiefung 21
aufweist. Das in der Vertiefung 21 erzeugte Feld ist ei
ne Kombination des gleichförmigen, durch die Spulen 30
bis 33 erzeugten Feldes und des Gradientenfeldes, das
von den Spulen 34 und 35 erzeugt wird, und dieses kom
binierte Feld kann die Elektronen um die gewünschte
Bahn herum beschleunigen.
Das von diesen Spulen gelieferte Feld muß vergrößert
werden, wenn die Elektronen auf das erforderliche Po
tential beschleunigt werden, und aus diesem Grund ist
der Spulenkörper 39 aus nichtmagnetischem Material her
gestellt, um Wirbelstromprobleme zu vermeiden. Obwohl ei
ne Epoxy-Harzmischung oben erwähnt wurde, könnte der Spu
lenkörper 39 auch aus einem Edelstahlmaterial hergestellt
werden.
Ein Kryostat-Gefäß umfaßt zwei Halterungen 36 und 37,
eine Außenwand 38 und eine innere Tragwand, die durch den Spulenkörper 39 gebildet ist.
Das Gefäß ist mit flüssigem Helium gefüllt, so daß die
Spulen bei 4,2°K betrieben werden. Die Leitungen für
die Spulen sind nicht gezeigt, doch werden sie durch ei
nen Hals 40 herausgeführt und der Kryostat ist von einer
Kühlumhüllung 41 umgeben, an deren Außenoberfläche mit
dieser in guter thermischer Berührung stehende Kühl
schlangen 42 angeordnet sind, die flüssigen Stickstoff
bei 78°K enthalten.
Claims (6)
1. Synchrotron mit zumindestens zwei Sätzen von supraleitenden
Spulen, die jeweils zur Beschleunigung geladener Teilchen auf
einer gekrümmten Bahn angeordnet sind, wobei die Sätze in
gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet sind, um zumindes
tens einen geradlinigen Abschnitt der Bahn für die Teilchen zu
bilden, mit einem Beschleunigerteil, der entlang des geradlini
gen Abschnittes der Bahn angeordnet ist, um die Teilchen auf die
Betriebsenergie zu beschleunigen,
dadurch gekennzeichnet, daß bei zumindestens
einer supraleitenden Spule (30, 31, 32, 33) die Haupt-Hin- und
Rücklaufschenkel so gekrümmt sind, daß sie im wesentlichen
parallel zur erforderlichen gekrümmten Bahn (11, 12) liegen,
und daß bei zumindestens einer weiteren supraleitenden Spule
(34, 35) lediglich der Haupt-Hinlaufschenkel (34 a, 35 a) so ge
krümmt ist, daß er im wesentlichen parallel zu der Bahn (11, 12)
liegt, während der Rücklaufschenkel (34 b, 35 b) sich diametral
zur Bahn (11, 12) erstreckt.
2. Synchrotron nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der entlang des
zumindestens einen geradlinigen Abschnittes der Bahn angeord
nete Beschleunigerteil durch eine Betatron-Beschleunigungsein
richtung (23 bis 25) gebildet ist.
3. Synchrotron nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensätze (16,
17) derart mit Abstand voneinander angeordnet sind, daß eine
Rennbahn-förmige Bahn (10) mit zwei geradlinigen Abschnitten
(13, 14) für die geladenen Teilchen gebildet wird, und daß jeder
Satz von supraleitenden Spulen (30 bis 35) eine gekrümmte Bahn
bildet, die die Teilchen im wesentlichen um 180° dreht.
4. Synchrotron nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite gerad
linige Abschnitt (13) der Bahn (10) von einem Hochfrequenz-
Beschleunigungshohlraum (26) umgeben ist.
5. Synchrotron nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden
Spulen jeweils in Paaren (30, 33 und 31, 32 und 34, 35) symmetrisch um die
Bahn (10) herum angeordnet sind.
6. Synchrotron nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektronen
injektionsvorrichtung (22) zur Injektion von geladenen Teilchen
auf die Bahn (10) angeordnet ist.
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