DE3703938A1 - Teilchenbeschleuniger - Google Patents
TeilchenbeschleunigerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger
für geladene Teilchen. Insbesondere betrifft die
Erfindung einen Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen
oder Speichern von geladenen Teilchen, wie
Elektronen derart, daß Strahlungsbündel von Ablenkvorrichtungen
der Vorrichtung erzeugt werden.
Fig. 8 zeigt einen konventionellen Teilchenbeschleuniger
für geladene Teilchen. In Fig. 8 bezeichnen
Bezugszahl 1 einen Speicherring zum Speichern geladener
Teilchen, Bezugszahl 2 eine Einfallbahn zum
Einführen geladener Teilchen in den Speicherring 1,
Bezugszahlen 3 Ablenkmagnete zum Bilden einer stabilen
Kreisbogen-Umlaufbahn 4 durch Ablenken der geladenen
Teilchen, Bezugszahlen 5 Synchrotron-Umlaufstrahlungen
(SOR) welche bei Ablenkungen der geladenen
Teilchen produziert und nach außen zur Nutzung
emittiert werden, z. B. zur Anwendung in der Lithografie,
Bezugszahlen 6 Vierpol-Konvergenzelektroden
für die geladenen Teilchen, Bezugszahlen 7 Sechspol-
Elektromagnete zum Korrigieren eines nicht-linearen
magnetischen Feldes der Ablenkmagneten 3 oder Korrigieren
des Farbwertes, Bezugszahl 8 einen Hochfrequenz-
Hohlraum, der Energieverluste der geladenen Teilchen
und der Strahlungsemission kompensiert und die
geladenen Teilchen auf ein vorgegebenes Energieniveau
beschleunigt, Bezugszahl 9 eine Vorrichtung,
welche die im Gleichgewicht befindliche Umlaufbahn 4
der geladenen Teilchen so verschiebt, daß die Teilchen
leicht in den Speicherring 1 eingeführt werden
können, Bezugszahl 10 eine Vakuumkammer zum Schaffen
einer Bahn der geladenen Teilchen, Bezugszahl 11
eine Einführvorrichtung zum Einführen der geladenen
Teilchen in den Speicherring 1 aus der Bahnlinie 2
und Bezugszahlen 12 Vakuumpumpen zum Aufrechterhalten
von Hoch-Vakuumbedingungen der Vakuumkammer.
Der Betrieb der konventionellen Vorrichtung sei
erläutert. Die über die Bahn 2 in den Speicherring 1
eingeführten geladenen Teilchen werden in der Einführvorrichtung
11 pulsierend abgelenkt. Die Teilchen
werden von der Vorrichtung 9 aus der ausgeglichenen
Umlaufbahn 4 auf eine leicht verschobene Umlaufbahn
zirkuliert; nach mehreren Umläufen setzen die Teilchen
ihre Zirkulationsbewegung bei ausgeglichener Umlaufbahn
4 fort (die ausgeglichene Umlaufbahn wird
durch die Anordnung der Ablenkmagnete 3 und der
Vierpol-Elektromagnete 6 bestimmt). Beim Umlauf
der geladenen Teilchen beschleunigt der Frequenz-Hohlraum
8 die Teilchen, und die Sechspol-Elektromagnete 7
korrigieren die Ungleichförmigkeit der magnetischen
Felder in radialen Richtungen der Ablenkmagnete 3
bzw. korrigieren den Farbwert. Wenn die geladenen
Teilchen, die längs der ausgeglichenen Umlaufbahn 4
zirkulieren, in den durch die Ablenkmagneten 3
geschaffenen Feldern abgelenkt werden, tritt elektromagnetische
Strahlung in Richtung tangential zur
Umlaufbahn auf, wobei die Strahlung durch Bremsstrahlung
erzeugt wird. Die elektromagnetische
Strahlung wird in Form von Strahlungsbündeln produziert.
Generell liegen mehrere Strahlungsbündelbahnen
5 vor, und diese erhöhen die Wirksamkeit des Teilchenbeschleunigers.
In Fig. 8 ist eine einzige Strahlungsbündelbahnlinie
5 für jeden Elektromagneten 3 dargestellt.
Die Vakuumkammer 10 ist aus rostfreiem Stahl gefertigt,
der hohe mechanische Festigkeit hat und leicht
glühbar ist. Das Innere der Vakuumkammer 10 wird
in einem Hochvakuumzustand mittels der Vakuumpumpe
12 gehalten, so daß eine verkürzte Lebensdauer
der geladenen Teilchen aufgrund von Energieverlusten
wegen Kollision der Teilchen mit Gasmolekülen vermieden
werden kann. Jedoch wird in der Vakuumkammer
aus rostfreiem Stahl, die von dem Ablenkmagneten 3
umgeben ist, eine große Gasmenge aus dem rostfreiem
Stahl produziert, wodurch die Vakuumbedingungen
in dem Beschleuniger schlecht werden. Somit verkürzt
das in der Vakuumkammer erzeugte Gas die Lebensdauer
der geladenen Teilchen.
Es wurde eine Vakuumkammer aus einer Aluminiumlegierung
vorgeschlagen. Obwohl eine Vakuumkammer
aus einer Aluminiumlegierung die Gaserzeugung durch
die Synchrotron-Strahlung drückt, ist ein "Brennen"
oder Glühen bei hohen Temperaturen nicht möglich,
weil die mechanische Festigkeit niedrig ist.
Bei einem konventionellen Elektronenspeicherring
wurde eine Vakuumkammer gemäß Fig. 9 eingesetzt.
In Fig. 9 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie
in Fig. 8 gleiche oder entsprechende Teile. In
der aus rostfreiem Stahl bestehenden Vakuumkammer
wurde Synchrotron-Strahlung 5 von der ausgeglichenen
Umlaufbahn 4 abgestrahlt. Bezugszahl 24 bezeichnet
einen wärmeerzeugenden Abschnitt in der Vakuumkammer,
der durch die Synchrotron-Strahlung verursacht
ist.
Wenn in der Vorrichtung gemäß Fig. 9 die geladenen
Teilchen (Elektronen) längs der durch die ablenkenden
Elektromagnete 3 gekrümmten Umlaufbahn bewegt
werden, wird Synchrotron-Strahlung 5 in Richtung
tangential zu der gekrümmten Umlaufbahn emittiert.
Die Intensität der Strahlung ist sehr stark und
hat einen extrem niedrigen Durchmesser (weniger
als 1 mm). Wenn demgemäß das Strahlungsbündel die
Innenwand der Vakuumkammer 10 aus rostfreiem Stahl
beaufschlagt, wird die Oberfläche der Innenwand
lokal erhitzt, weil die Wärmeleitfähigkeit des
Werkstoffes niedrig ist. Demgemäß findet im Innenwandabschnitt
der Vakuumkammer 10 in der durch den
Pfeil 26 bezeichneten Richtung eine Wärmeausdehnung
statt. Andererseits findet keine Wärmeausdehnung
in dem der Atmosphäre ausgesetzten Abschnitt statt.
Mit anderen Worten dehnt sich nur derjenige Abschnitt
aus, der der Innenseite der Vakuumkammer zugewandt
ist. In deformiertem Zustand bildet die Vakuumkammer
10 einen in Richtung des Pfeils 27 eingewölbten
Abschnitt, um die Spannung aufgrund der Ausdehnung
abzubauen. Es ist jedoch eine Ausdehnung in Richtung
des Pfeiles 27 erschwert, weil die Vakuumkammer
Eckenabschnitte 28 in Gestalt eines L-Winkels aufweist.
In solch einer L-Winkelstruktur ist es schwierig,
eine Verformung des Eckenabschnittes nach
innen zu verursachen. Demgemäß ist es nicht möglich,
ausschließlich eine Verformung des Abschnittes
in Pfeilrichtung 27 zu erzeugen. Die Vakuumkammer 10
wird vielmehr so verformt, daß eine Kraft in Pfeilrichtung
27, welche durch die thermische Ausdehnung
erzeugt ist, mit einer Reaktionskraft im Gleichgewicht
steht, welcher durch die Festigkeit des Eckenabschnittes
28 und den Werkstoff der Vakuumkammer
bestimmt ist. Die Tiefe der Einwölbung ist relativ
gering. Demgemäß wird die thermische Ausdehnung
in Pfeilrichtung 27 mehr oder weniger behindert,
und eine große Druckkraft wird im Abschnitt der
thermischen Ausdehnung, d. h. im wärmeerzeugenden
Abschnitt 24 hervorgerufen. Der sich ausdehnende
Abschnitt wird ferner durch die Synchrotron-Strahlung
auf eine hohe Temperatur (um 500°C) für einen
langen Zeitraum aufgeheizt, wodurch ein Kriechproblem
erzeugt wird. Zusätzlich besteht das Problem der
Werkstoffermüdung aufgrund von Wechselbeanspruchung.
Schließlich wird Gas in dem Fall erzeugt, daß die
Vakuumkammer wie oben beschrieben aus rostfreiem
Stahl besteht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Teilchenbeschleuniger
für geladene Teilchen zu schaffen, mit dem
sich die oben beschriebenen Schwierigkeiten beheben
lassen und die Lebensdauer der geladenen Teilchen
verlängern lassen.
Diese Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren
Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform eines Teilchenbeschleunigers
gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt der
Vakuumkammer nach Fig. 1 in kleinerem
Maßstab;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Abwandlung
der Vakuumkammer nach der Erfindung in
größerem Maßstab;
Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch eine andere
Ausführung der Vakuumkammer nach der
Erfindung;
Fig. 5 eine Darstellung wie Fig. 1 einer weiteren
Ausführung der Vakuumkammer nach der
Erfindung;
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine andere Ausführung
der Vakuumkammer nach der Erfindung;
Fig. 7 eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 6;
Fig. 8 ein Schema eines konventionellen Teilchenbeschleunigers
für geladene Teilchen;
Fig. 9 eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht der konventionellen Vakuumkammer
zur Anwendung in dem konventionellen
Teilchenbeschleuniger und
Fig. 10 einen Teilschnitt zum Erläutern einer
Einwölbung einer Wand der konventionellen
Vakuumkammer.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung seien nun
anhand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen gekrümmten Abschnitt einer Vakuumkammer
10 einer Ausführung des Teilchenbeschleunigers
nach der Erfindung. In der Vakuumkammer 10 ist
eine im Querschnitt U-förmige Platte in Längsrichtung
der Vakuumkammer angeordnet. Die Platte 30 besteht
aus einer Aluminiumlegierung. Im Boden der U-förmigen
Platte 30 sind in Längsrichtung gesehen mehrere
Öffnungen 31 hintereinander angeordnet, um Strahlungsbündel
durchzulassen.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil
des gekrümmten Abschnittes der Vakuumkammer 10.
In Fig. 2 trifft ein Teil des Strahlungsbündels 5
auf die Aluminiumlegierungsplatte 30, wo die Strahlung
durch Absorption abgeschwächt wird.
Die bei Auftreffen der Strahlung erzeugte Gasmenge
ist durch die folgende Gleichung darstellbar:
worin T = E/m 0 C 2, E die Strahlungsenergie der geladenen
Teilchen, m 0 die Masse der geladenen Teilchen
im Ruhezustand, C die Lichtgeschwindigkeit, i b
die Stromstärke der geladenen Teilchen, ε 0 die
Arbeitsfunktion der Wandfläche, auf welcher die
Strahlung auftrifft, ε c die kritische Energie und
D die Anzahl der Moleküle eines Gases (mol/e-)
ist, das durch Fotoelektronen mit einer Energie
größer als ε 0 emittiert wird. Die Größe von D in
der oben angegebenen Gleichung variiert mit dem
Werkstoff der Wandfläche der Vakuumkammer. Im Vergleich
der Aluminiumlegierung mit rostfreiem Stahl
ist die Gaserzeugung von rostfreiem Stahl um etwa
das 2,5-fache größer als bei der Aluminiumlegierung.
Wenn die Aluminiumlegierung als Wandfläche der
Vakuumkammer verwendet wird, kann die durch die
Strahlung erzeugte Gasmenge um etwa 40% im Vergleich
zu rostfreiem Stahl reduziert werden.
Gemäß Fig. 2 werden bezüglich der ausgeglichenen
Umlaufbahn 4 der geladenen Teilchen viele Strahlungsbündel
5 in tangentialer Richtung geschaffen. Von
diesen Strahlungsbündeln 5 werden die durch die
Öffnungen 31 längs der Bahnlinien 25 austretenden
Strahlungsbündel wirksam genutzt. Die anderen Strahlungsbündel,
welche auf die Innenwand der Vakuumkammer
auftreffen, sind nutzlos. Somit ist, wie
aus Fig. 2 klar hervorgeht, ein großer Teil der
Strahlung für die Gaserzeugung verantwortlich.
Die Platte 30 aus der Aluminiumlegierung dient
dazu, praktisch alle nutzlosen Strahlungsbündel
abzuschirmen.
Es ist ein wichtiger Punkt, daß die aus einer Aluminiumlegierung
bestehende Platte 30 nicht als
Vakuumkammer der Vorrichtung dient. Da die mechanische
Festigkeit der Aluminiumlegierung schwächer als
diejenige von rostfreiem Stahl ist, könnte leicht
durch Brechen der Vakuumzustand aufgehoben werden.
Ferner hält die Aluminiumlegierung nicht dauerhaft
die hohen Temperaturen aus, welche durch das "Brennen"
erzeugt werden. Bei der Ausführung nach der Erfindung
besteht jedoch die Vakuumkammer selbst aus rostfreiem
Stahl und ist somit als Behälter zur Aufrechterhaltung
der Vakuumbedingungen verläßlich.
Wenngleich bei der oben beschriebenen Ausführung
eine U-förmige Aluminiumlegierungsplatte 30 verwendet
ist, kann auch eine ebene Aluminiumlegierungsplatte
30 verwendet werden. Ferner kann ein Rohr
aus einer Aluminiumlegierung verwendet werden.
Die Aluminiumlegierungsplatte 30 kann an einer
gewünschten Stelle angebracht werden, sofern sie
nur die durch die Strahlungsbündel erzeugte Gasmenge
reduziert.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Vakuumkammer
nach der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist ein
Führungsglied 32 um jede Öffnung 31 in der U-förmigen
Aluminiumlegierungsplatte 30 angebracht. Demgemäß
treffen solche die Öffnungen 31 passierende Strahlungsbündel,
welche nicht parallel zu den Bahnen 25
verlaufen, auf die Wände der Führungsglieder und
werden dadurch abgeschwächt. Auf diese Weise kann
die durch den Kontakt des Strahlungsbündels mit
dem rostfreien Stahl erzeugte Gasmenge weiter reduziert
werden.
Fig. 4 zeigt einen Teilquerschnitt der Vakuumkammer
10.
In Fig. 4 ist eine Aussparung 29 im Eckenabschnitt 28
der Vakuumkammer dargestellt. Die Aussparung 29
erstreckt sich längs der gekrümmten Vakuumkammer.
Es ist eine weitere Aussparung 29 im anderen, bezüglich
der Längsmittelachse symmetrischen Eckenabschnitt
vorgesehen. Aufgrund der Aussparung 29
ist eine Verformung der Wand der Vakuumkammer 10,
welche durch die Strahlungsbündel aufgeheizt wird,
leicht in Richtung des Pfeiles 27 möglich, wodurch
die Wand der Vakuumkammer 10 aufgrund der Wärmeausdehnung
ausschließlich in Richtung des Pfeiles 27
verformt wird. Die Aussparungen 29 verringern mit
anderen Worten die thermische Beanspruchung durch
Druck in dem aufgeheizten Wandabschnitt.
Eine andere Ausführung der Erfindung wird anhand
der Fig. 5 erläutert. Bei dieser Ausführung ist
eine langgestreckte, ebene Platte 39 aus einer
Aluminiumlegierung, wie Duraluminium, an demjenigen
Innenwandabschnitt der Vakuumkammer angebracht,
wo die von der ausgeglichenen Umlaufbahn 4 abgestrahlten
Strahlungsbündel 5 auftreffen. Wie oben
beschrieben wird dieser Wandabschnitt bei 24 durch
die Synchrotron-Strahlung aufgeheizt. Jedoch wird
bei dieser Ausführung, bei der die lokal aufgeheizten
Stellen durch die langgestreckte Platte 39 aus
der Aluminiumlegierung mit hoher Wärmeleitfähgkeit
abgedeckt ist, die thermische Beanspruchung im
Vergleich zu einer Vakuumkammer aus rostfreiem
Stahl hinreichend abgesenkt.
Die in der Vakuumkammer mit einer Platte aus Aluminiumlegierung
erzeugte Gasmenge beträgt etwa
40% der in einer Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl
erzeugten Gasmenge. Demgemäß kann selbst bei Synchrotron-
Strahlung in der Vakuumkammer mit der
Aluminiumlegierung ein gewünschter Druckbereich
aufrechterhalten werden.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführung der Vakuumkammer
10. Bei dieser Ausführung ist eine Aluminiumlegierungsschicht
10 b auf der Wand 10 a (aus rostfreiem Stahl)
der Vakuumkammer 10 durch Plattieren, Schmelzinjektion,
Explosionsformen und dgl. aufgebracht,
um eine zweilagige Wandkonstruktion zu bilden.
Das Plattierungsverfahren kann dazu benutzt werden,
eine relativ dünne Überzugsschicht auf dem Grundmaterial
zu schaffen; Das Schmelzinjektionsverfahren
kann dazu verwendet werden, eine relativ dünne
Überzugsschicht zu schaffen und das Explosionsformen
kann dazu verwendet werden, eine Auskleidung zu
schaffen, welche im wesentlichen die gleiche Wandstärke
wie die Wandstärke des Grundmaterials aufweist.
Somit vermindert die zweilagige Wandkonstruktion
mit einer inneren Aluminiumlegierungsschicht die
Erzeugung von Gas um etwa 40% im Vergleich zu
einer Vakuumkammer, deren Innenwand aus rostfreiem
Stahl besteht. Demgemäß können die Geschwindigkeit
der Gasabgabe zum Erhalten gleicher Leistung für
das Vakuum kleingehalten und damit die Herstellkosten
für die Vorrichtung niedrig gehalten werden.
Wenn die Vakuumkammer mit der inneren Aluminiumlegierungsschicht
in einem Elektronen-Speicherring
eingesetzt wird, wird die Lebensdauer des Speicherringes
verlängert, wodurch die Herstellung von
Halbleitervorrichtungen mittels eines lithografischen
Verfahrens sukzessive über eine lange Zeitdauer
aufrechterhalten werden kann. Dies führt zu einer
Verringerung der Herstellkosten der Halbleitervorrichtungen.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführung der Vakuumkammer.
Bei dieser Ausführung hat die Vakuumkammer eine
dreilagige Wandkonstruktion, d. h. ein Grundmaterial
10 a, eine Zwischenschicht und eine innerste Schicht
10 c aus einer Aluminiumlegierung. Natürlich können
mehr als drei Lagen auf der Innenwand der Vakuumkammer
ausgebildet werden.
Bevorzugt werden bei der Erfindung folgende Aluminiumlegierungen
angewendet: 3003, 3203, 3004, 3005,
5005, 5052, 5652, 5154, 5254, 5454, 5083, 5086,
5N01, 1080, 1070, 1050, 1100, 1200 und 1N00 (Japanische
Industrienorm). Die Einzelheiten der Aluminiumlegierungen
sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
Aluminium hohen Reinheitsgrades ist ebenso zur
Verminderung der Gaserzeugung bei der Erfindung
anwendbar.
Bei den beschriebenen Ausführungen wird die Vakuumkammer
bei einem Elektronen-Speicherring eingesetzt.
Die gleiche Wirkung ist jedoch auch erzielbar,
wenn sie bei einem anderen Teilchenbeschleuniger
für geladene Teilchen, wie einem Synchrotron-Beschleuniger,
eingesetzt wird.
Claims (10)
1. Teilchenbeschleuniger mit einer Vakuumkammer
zum Transportieren, Beschleunigen, Ablenken
und/oder Speichern von geladenen Teilchen, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Lage (30; 39;
10 b) aus einem wenig Gas erzeugenden Werkstoff
in der Vakuumkammer (10) an einer Stelle (24)
angeordnet ist, an der Strahlung (5), welche
durch Ablenkung der geladenen Teilchen erzeugt
ist, auftrifft, wobei der genannte Werkstoff
weniger Gas als ein die Vakuumkammer bildender
Werkstoff erzeugt.
2. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die genannte
Lage (30) ein von der Vakummkammer (10) getrennter
Körper ist, der nicht zur Aufrechterhaltung
des Vakuums beiträgt.
3. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Lager (30; 39; 10 b) aus einer Aluminiumlegierung
besteht.
4. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff der Lage (30; 39; 10 b) eine
höhere Wärmeleitfähigkeit als der eine Innenwand
der Vakuumkammer bildende Werkstoff aufweist.
5. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lage (30, 10 b)
fest an der Innenfläche der Vakummkammer (10)
angebracht ist.
6. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vakuumkammer (10) ringförmig ist und
daß die Lage am äußeren Umfangsabschnitt der
ringförmigen Vakuumkammer angeordnet ist.
7. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vakuumkammer (10) eine Mehrlagenstruktur
aufweist und daß die Lage (10 b) des eine geringe
Gasmenge erzeugenden Werkstoffes die innerste
Lage bildet.
8. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer
(10) eine Zweilagenstruktur aufweist.
9. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Reinaluminium-
oder Aluminiumlegierungsschicht (10 b) auf der
aus einem rostfreien Stahl bestehenden Innenwand
(10 a) der Vakuumkammer (10) aufgebracht ist.
10. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittsfläche der Vakuumkammer
(10) in einer senkrecht zur Richtung der Bahn
(4) der geladenen Teilchen verlaufenden Ebene
rechteckig ist und daß Aussparungen (29) in
den inneren Eckenbereichen der Vakuumkammer
vorgesehen sind.
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