EP0129111A1 - Magnetische Multipolanordnung n-ter Ordnung - Google Patents

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EP0129111A1
EP0129111A1 EP84106084A EP84106084A EP0129111A1 EP 0129111 A1 EP0129111 A1 EP 0129111A1 EP 84106084 A EP84106084 A EP 84106084A EP 84106084 A EP84106084 A EP 84106084A EP 0129111 A1 EP0129111 A1 EP 0129111A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
multipole
current
arrangement according
multipole arrangement
machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP84106084A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Dr. Voss
Hermann Prof. Dr. Wollnik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0129111A1 publication Critical patent/EP0129111A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/14—Arrangements for focusing or reflecting ray or beam
    • H01J3/20—Magnetic lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof

Definitions

  • the invention relates to an n-order magnetic multipole arrangement for influencing the trajectories of charged particles.
  • Ions or electron bundles can be focused using electric or magnetic fields.
  • Magnetic quadrupole lenses i.e. Four-pole lenses used.
  • DE-OS 26 56 302 e.g. such a quadrupole lens for focusing the electron beam of a color picture tube is known.
  • This quadrupole lens consists of a square opening provided in a plate, the side edges of which are magnetized with alternating polarity. In this way, a four-pole magnetic field is formed, the optical axis z of which coincides with the direction of propagation of the particle bundle. In the x and y axis directions, the particles are directed in one axis direction to the optical axis, i.e. focused, and directed in the other axis direction away from the optical axis, i.e. defocused.
  • Magnetic quadrupole lenses are of great importance in focusing the particle stream of particle accelerators. In order to achieve sufficient deflection of the high-energy particles, strong magnetic fields are required.
  • the desired distribution of the magnetic flux density is optimally achieved by using, as shown in FIG. 1, four hyperbolic-shaped pole pieces which are electrically excited and magnetically alternately polarized.
  • Another object of the invention is to achieve considerable energy savings in comparison with the previously customary arrangements in such a multipole arrangement.
  • a magnetic multipole arrangement can thus be built up from elements that are already manufactured in large series and are therefore correspondingly inexpensive.
  • a superposition of several multipoles of different orders with the desired strength of the individual multipoles is achieved in that the product of current and number of turns in a slot or slot group arranged at azimuth angle 9 is proportional to the sum or proportional to the sum where (iw) 2n means the maximum number of ampere turns assigned to the corresponding nth multipole.
  • an n-pole three-phase machine is provided as an alternating current machine, the phase windings of which each consist of two separate coil sets, these coil sets with one leg in a groove or groove group at the azimuth angle ⁇ and with their other Legs lie in a slot or slot group below the azimuth angle - ⁇ that one set of coils is traversed by such a current that the product of current and number of turns of this set of coils is proportional to and the other coil set is flowed through by such a current that the product of the current and the number of turns of this coil set is proportional to is.
  • an n-pole three-phase machine is provided as an alternating current machine, the phase windings of which each consist of two separate coil sets, these coil sets with their one leg in a groove or groove group under the azimuth angle 9 and with their other leg lie in a slot or slot group under the azimuth angle ⁇ + ⁇ / k that one set of coils is flowed through by such a current that the product of current and number of turns of this set of coils is proportional to and the other coil set flows through such a current that the product of current and number of turns of this S p ulensatzes proportional to is.
  • a distribution of the ampere-turn numbers approximating to the cosine shape is achieved without any special effort in that an n-pole three-phase machine is provided as an alternating-current machine, in which the coils forming a phase string are reversely connected in parallel to the series connection of the coils forming the other two phase strings.
  • Small changes in the orientation of the multipole field are possible in that an ohmic resistor is connected in parallel to the one of the two phase windings lying in series.
  • an adjustable ohmic resistance the orientation of the multipole field can be adjusted at any time.
  • a change in the orientation of the multipole field is also possible in that the individual coils are connected to different, controllable direct current sources.
  • a particularly strong magnetic field is achieved by reducing stray losses by covering the entire surface of the pole pieces of the stator with the exception of the surface facing the stator bore with permanent magnets.
  • the magnetic field and thus the effect of the multipole can be changed in that in addition to Permanent magnet an excitation winding is arranged on the pole pieces.
  • the magnetic field of the multipole arrangement can also be strengthened by covering the radial side faces of the pole pieces with rare earth cobalt magnets, at least in the region adjacent to the stator bore. According to a further embodiment of the invention, the magnetic field of the multipole arrangement can be rotated at least by small angles in that the current in the excitation windings of successive pole pieces can be set differently.
  • 30 denotes hyperbolic pole shoes, on which an excitation winding 31 is arranged.
  • This excitation winding 31 magnetically excites the pole pieces 30 such that successive pole pieces have a different one have magnetic polarity.
  • the pole shoes are connected to one another via a yoke 32.
  • FIG. 2 denotes the stator of a four-pole AC machine, in the slots 2 of which a conventional three-phase winding 3 is introduced.
  • the areas of the individual poles are indicated by I-IV.
  • twelve slots 2 are provided per pole, so that four slots are available for each phase string 4 to 6 in a three-phase machine.
  • phase strands 4 and 6 are connected in series with one another and connected in parallel to the phase strand 5 to a DC voltage source.
  • An adjustable ohmic resistor 7 is also connected in parallel with the phase strand 6.
  • phase strands 4 and 6 By connecting the two phase strands 4 and 6 in series, half the current in these phase strands compared to the current in the phase strand 5 which is connected to the direct voltage source alone is achieved.
  • the minus sign for the currents i z and i 3 means that the corresponding phase strands 4 and 6 have to be connected to the direct voltage source with a reverse winding sense compared to phase strand 5.
  • a four-pole magnetic field can therefore also be easily obtained with a direct voltage source with a fixed voltage achieve approximately cosine-shaped magnetic flux density distribution over the area of a pole.
  • the parallel connection of the ohmic resistor 7 to one of the phase strands 4 and 6 causes the magnetic field to be rotated by a small angle with respect to the magnetic field which is generated by the phase strands without such a resistor.
  • the angle of twist can be adjusted by adjusting the resistor 7.
  • Such twisting can also be achieved by changing the current in the phase strands. Such a change in current is possible by means of a controllable direct voltage source.
  • Azimuth angle 8 is understood to mean the angle of the groove or groove group with respect to the coordinates of a plane perpendicular to the stator axis.
  • each individual coil is arranged with its first leg in the groove lying under the azimuth angle 9 and with its second leg in the groove lying under the azimuth angle - ⁇ , the number of ampere turns of such a coil having the aforementioned sum (iw) corresponds.
  • the strength of the individual multipoles can be varied separately by means of a power supply which can be regulated separately for each individual coil or by means of an adjustable resistor which is adjustable in series or in parallel with the individual coils. This means that the current distribution over the azimuth angle can also be changed during operation.
  • the desired distribution of the number of ampere turns over the azimuth angle 9 can in turn be achieved in various ways.
  • An advantageous possibility is that the coil width of the individual coils is selected so that they are arranged with their first leg in a groove lying under the azimuth angle 9 and with their second leg in a groove lying under the azimuth angle -9.
  • the ampere-turn number must correspond to the above sum for (i ⁇ w).
  • a change in the ratio of b to a during operation is possible in that the current in the individual coils is changed by means of a resistance network or by a correspondingly controllable power supply.
  • FIG. 4 11 denotes the four-pole stator of a DC machine.
  • This stator 11 has four pole pieces 12 to 15 made of ferromagnetic material, between which radially extending permanent magnets 16 to 19 are inserted.
  • the pole pieces 12 to 15 are attached to a yoke 20.
  • An additional excitation winding 21 is also arranged on each of the pole pieces 12 to 15.
  • the polarization of the permanent magnets 16 to 19 is indicated by N and S.
  • the permanent magnets 16 to 19 are inserted between the pole pieces 12 to 15 so that successive pole pieces each have a different polarity.
  • the bore of the stator 11 corresponds to the aperture diameter 2G.
  • the pole pieces 12 to 15 have a concave shape on the side facing the stator bore.
  • the course of the pole pieces can also be designed differently at this point.
  • the pole pieces can, for example, be convexly curved in the manner of a hyperbola, so as to approximate the pole shoe shape according to FIG. 1.
  • a suitably designed course of the pole piece surface in the area of the aperture opening makes it possible to generate a magnetic field that consists of a superimposition of magnetic fields of different orders.
  • the use of permanent magnets 16 to 19 to generate the magnetic field results in considerable energy savings compared to the purely electrically generated magnetic fields.
  • a control possibility is provided by the arrangement of an additional, electrically supplied excitation winding 21.
  • the magnetic field generated by the permanent magnets can be strengthened or weakened. It is also possible to feed the excitation windings 21 from successive pole pieces, for example the pole pieces 12 and 13, with different currents, so that a slight rotation of the magnetic field is achieved.
  • the magnetic field can also be controlled by attaching adjustable shunt paths. Through such shunt paths, part of the magnetic flux emanating from the permanent magnets is short-circuited parallel to the pole pieces, so that the magnetic field is weakened in accordance with the short-circuited flux.
  • rare earth cobalt magnets (Samarium cobalt magnets) are arranged. Ferrite magnets can be inserted in the further back region.
  • an electrical excitation winding 21 is dispensed with, then further permanent magnets, in particular ferrite magnets, can be inserted between the pole pieces 12 to 15 and the yoke 20 in order to strengthen the magnetic field.
  • a four-pole stand is shown. Stands with a different number of poles can also be used if a magnetic field with a higher or lower number of poles is required to influence the particle flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetische Multipolanordnung n-ter Ordnung zur Beeinflussung der Flugbahn von geladenen Teilchen. Um ohne gesondert herzustellende Bauteile auszukommen, wird vorgeschlagen, daß als Multipolanordnung der Ständer (1) einer mehrphasigen Wechselsstrommaschine vorgesehen ist, deren Ständerwicklung von einer Spannungsquelle derart gespeist wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl (Amperewindungszahl) in einer unter dem Azimutwinkel ϑ angeordneten Nut oder Nutgruppe proportional zu cos(nϑ) ist, wobei n der Ordnungszahl der Multipolanordnung entspricht und die Faktoren a und b dem Verhältnis b/a, welches die Orientierung des Multipols relativ zu dem Azimutwinkel ϑ = 0 angibt, entnommen sind. Als Multipolanordnung kann auch ein durch Dauermagnete erregter Ständer einer Gleichstrommaschine vorgesehen werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine magnetische Multipolanordnung n-ter Ordnung zur Beeinflussung der Flugbahnen von geladenen Teilchen.
  • Die Fokussierung von Ionen oder Elektronenbündeln kann mittels elektrischer oder magnetischer Felder erfolgen. Für die Fokussierung mittels magnetischer Felder werden häufig magnetische Quadrupollinsen, d.h. Vierpollinsen, verwendet. Durch die DE-OS 26 56 302 ist z.B. eine derartige Quadrupollinse zur Fokussierung des Elektronenstrahles einer Farbbildröhre bekannt. Diese Quadrupollinse besteht aus einer in einer Platte vorgesehenen quadratischen öffnung, deren Seitenkanten mit abwechselnder Polarität magnetisiert sind. Auf diese Weise wird ein vierpoliges Magnetfeld gebildet, dessen optische Achse z mit der Ausbreitungsrichtung des Teilchenbündels zusammenfällt. In der x- und y-Achsenrichtung werden die Teilchen in der einen Achsenrichtung auf die optische Achse zugelenkt, d.h. fokussiert, und in der anderen Achsenrichtung von der optischen Achse weggelenkt, d.h. defokussiert.
  • Magnetische Quadrupollinsen haben große Bedeutung bei der Fokussierung des Teilchenstromes von Teilchenbeschleunigern. Um eine ausreichende Ablenkung der energiereichen Teilchen zu erreichen, sind allerdings starke magnetische Felder erforderlich. Bei einem Quadrupol gilt für die radiale Komponente der Magnetflußdichte im Abstand r von der optischen Achse und in Abhängigkeit von dem Azimutwinkel 9 die Beziehung B = B T (r/Go) · sin2θ,
    wobei BT die Magnetflußdichte in der Mitte der Polschuhe und 2Go der Aperturdurchmesser der von den Polschuhen begrenzten öffnung des Quadrupols ist. Die gewünschte Verteilung der Magnetflußdichte erzielt man optimal, indem man, wie in Fig. 1 dargestellt, vier hyperbelförmig geformte Polschuhe verwendet, die elektrisch erregt und magnetisch alternierend gepolt sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Multipolanordnung mit einem Br = BT (r/Go)n-1. sin(nθ) mit n = 1, 2, 3, 4, ... , also auch einen Quadrupol mit n = 2 zu schaffen, der nicht wie üblich aus einer Anordnung mit für n =2 geeignet geformten Polschuhen besteht, sondern aus nicht gesondert herzustellenden Bauteilen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, bei einer solchen Multipolanordnung auch eine erhebliche Energieeinsparung gegenüber den bisher üblichen Anordnungen zu erzielen.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß als Multipolanordnung der Ständer einer mehrphasigen Wechselstrommaschine vorgesehen ist, deren Ständerwicklung von einer Spannungsquelle derart gespeist wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl (Amperewindungszahl) in einer unter dem Azimutwinkel θ angeordneten Nut oder Nutgruppe proportional oder angenähert proportional zu cos(nθ) oder zu a · cos(nθ) + b · sin(n9) ist, wobei n der Ordnungszahl der Multipolanordnung entspricht und die Faktoren a und b dem Verhältnis b/a, welches die Orientierung des Multipols relativ zu dem Azimutwinkel θ = 0 angibt, entnommen sind. Eine magnetische Multipolanordnung kann damit aus Elementen aufgebaut werden, die schon in Großserienfertigung hergestellt werden und daher entsprechend preisgünstig sind.
  • Eine Überlagerung von mehreren Multipolen verschiedener Ordnung mit der jeweils gewünschten Stärke der einzelnen Multipole erreicht man dadurch, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl in einer unter dem Azimutwinkel 9 angeordneten Nut oder Nutgruppe proportional zu der Summe
    Figure imgb0001
    oder proportional zu der Summe
    Figure imgb0002
    ist, wobei (iw)2n jeweils die dem entsprechenden n-ten Multipol zugeordnete maximale Amperewindungszahl bedeutet.
  • Eine solche überlagerung wird mit einfachen Mitteln dadurch erzielt, daß als Wechselstrommaschine eine n-polige Drehstrommaschine vorgesehen ist, deren Phasenwicklungen jeweils aus zwei gesonderten Spulensätzen bestehen, wobei diese Spulensätze mit ihrem einen Schenkel in einer Nut oder Nutgruppe unter dem Azimutwinkel θ und mit ihrem anderen Schenkel in einer Nut oder Nutgruppe unter dem Azimutwinkel -θ liegen, daß der eine Spulensatz von einem solchen Strom durchflossen wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl dieses Spulensatzes proportional zu
    Figure imgb0003
    ist und der andere Spulensatz von einem solchen Strom durchflossen wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl dieses Spulensatzes proportional zu
    Figure imgb0004
    ist.
  • Eine derartige Oberlagerung kann auch dadurch erreicht werden, daß als Wechselstrommaschine eine n-polige Drehstrommaschine vorgesehen ist, deren Phasenwicklungen jeweils aus zwei gesonderten Spulensätzen bestehen, wobei diese Spulensätze mit ihrem einen Schenkel in einer Nut oder Nutgruppe unter dem Azimutwinkel 9 und mit ihrem anderen Schenkel in einer Nut oder Nutgruppe unter dem Azimutwinkel θ +π/k liegen, daß der eine Spulensatz von einem solchen Strom durchflossen wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl dieses Spulensatzes proportional zu
    Figure imgb0005
     ist und der andere Spulensatz von einem solchen Strom durchflossen wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl dieses Spulensatzes proportional zu
    Figure imgb0006
    ist.
  • Eine der Cosinusform angenäherte Verteilung der Amperewindungszahlen wird ohne gesonderten Aufwand dadurch erreicht, daß als Wechselstrommaschine eine n-polige Drehstrommaschine vorgesehen ist, bei der die einen Phasenstrang bildenden Spulen zu der Reihenschaltung der die beiden anderen Phasenstränge bildenden Spulen umgekehrt parallelgeschaltet sind. Kleine Änderungen der Orientierung des Multipolfeldes sind dabei dadurch möglich, daß zu der einen von den beiden in Reihe liegenden Phasenwicklungen ein ohmscher Widerstand parallelgeschaltet ist. Mit einem verstellbaren ohmschen Widerstand kann die Orientierung des Multipolfeldes somit jederzeit nachgestellt werden. Eine Änderung der Orientierung des Multipolfeldes ist andererseits auch dadurch möglich, daß die einzelnen Spulen an verschiedene, regelbare Gleichstromquellen angeschlossen sind.
  • Eine wesentliche Energieeinsparung bei gleichzeitiger Verwendung eines Serienproduktes für einen Multipol ist dadurch möglich, daß als Multipolanordnung ein durch Dauermagnete erregter Ständer einer Gleichstrommaschine vorgesehen ist.
  • Ein besonders starkes magnetisches Feld wird durch Verminderung von Streuverlusten dadurch erreicht, daß die gesamte Fläche der Polstücke des Ständers mit Ausnahme der der Ständerbohrung zugewandten Fläche mit Dauermagneten bedeckt ist.
  • Das magnetische Feld und damit die Wirkung des Multipols kann dadurch verändert werden, daß zusätzlich zu den Dauermagneten eine Erregerwicklung auf den Polstücken angeordnet ist.
  • Der Aufbau einer Multipolanordnung mit Dauermagneten und elektrischer Zusatzerregung wird dadurch sehr einfach, daß nur die radialen Seitenflächen der Polstücke mit Dauermagneten bedeckt sind.
  • Das magnetische Feld der Multipolanordnung kann auch dadurch verstärkt werden, daß zumindest in dem der Ständerbohrung benachbarten Bereich die radialen Seitenflächen der Polstücke mit Seltenerd-Kobalt-Magneten bedeckt sind. Eine Verdrehung des magnetischen Feldes der Multipolanordnung zumindest um kleine Winkel gelingt nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß der Strom in den Erregerwicklungen von aufeinanderfolgenden Polstücken unterschiedlich einstellbar ist.
  • Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
    • Fig. 1 einen Quadrupol mit hyperbelförmigen Polschuhen nach dem Stand der Technik,
    • Fig. 2 einen als Multipolanordnung verwendeten Ständer einer Wechselstrommaschine,
    • Fig. 3 die Verschaltung der Phasenwicklung der in Fig. 2 dargestellten Wechselstrommaschine,
    • Fig. 4 einen als Multipolanordnung verwendeten Ständer einer dauermagneterregten Gleichstrommaschine.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Quadrupol sind mit 30 hyperbelförmige Polschuhe bezeichnet, auf denen eine Erregerwicklung 31 angeordnet ist. Durch diese Erregerwicklung 31 werden die Polschuhe 30 derart magnetisch erregt, daß aufeinanderfolgende Polschuhe eine unterschiedliche magnetische Polarität aufweisen. Ober ein Rückschlußjoch 32 sind die Polschuhe miteinander verbunden.
  • Mit 1 ist in Fig. 2 der Ständer einer vierpoligen Wechselstrommaschine bezeichnet, in dessen Nuten 2 eine übliche dreiphasige Wicklung 3 eingebracht ist. Mit I-IV sind die Bereiche der einzelnen Pole angedeutet. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind pro Pol zwölf Nuten 2 vorgesehen, so daß bei einer dreiphasigen Maschine für jeden Phasenstrang 4 bis 6 vier Nuten zur Verfügung stehen.
  • Gemäß dem Schaltbild nach Fig. 3 sind die Phasenstränge 4 und 6 miteinander in Reihe geschaltet und parallel zum Phasenstrang 5 an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Zu dem Phasenstrang 6 ist weiterhin ein einstellbarer ohmscher Widerstand 7 parallelgeschaltet.
  • Bei Drehstrombetrieb einer elektrischen Maschine gilt für den Strom in den einzelnen Phasensträngen:
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
  • Für den Zeitpunkt t = o gilt dann i1=i0 und i2=i3=-i0/2.
  • Durch die Reihenschaltung der zwei Phasenstränge 4 und 6 wird auf einfache Weise der halbe Strom in diesen Phasensträngen gegenüber dem Strom in dem für sich allein an die Gleichspannungsquelle angeschlossenen Phasenstrang 5 erreicht. Das Minuszeichen für die Ströme iz und i3 bedeutet, daß die entsprechenden Phasenstränge 4 und 6 gegenüber dem Phasenstrang 5 mit umgekehrtem Wickelsinn an die Gleichspannungsquelle angeschlossen werden müssen.
  • Mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltung läßt sich daher auch bei einer Gleichspannungsquelle mit einer festen Spannung auf einfache Weise ein vierpoliges Magnetfeld mit angenähert cosinusförmiger Magnetflußdichteverteilung über den Bereich eines Poles erreichen.
  • Die Parallelschaltung des ohmschen Widerstandes 7 zu einem der Phasenstränge 4 und 6 bewirkt eine Verdrehung des Magnetfeldes um einen kleinen Winkel gegenüber dem Magnetfeld, das von den Phasensträngen ohne einen solchen Widerstand erzeugt wird. Durch ein Verstellen des Widerstandes 7 kann der Verdrehungswinkel eingestellt werden. Eine solche Verdrehung kann auch durch eine Veränderung des Stromes in den Phasensträngen erreicht werden. Eine solche Stromänderung ist mittels einer regelbaren Gleichspannungsquelle möglich.
  • Eine Überlagerung von Multipolen verschiedener Ordnung wird erreicht, wenn die Amperewindungszahl in einer Nut oder einer Nutgruppe, die unter dem Azimutwinkel 9 angeordnet ist, der Bedingung
    Figure imgb0010
    entspricht, wobei 2k den Multipol der niedrigsten auftretenden Ordnung beschreibt. für k= 2 erzielt man eine Überlagerung eines Quadrupols, eines Hexapols usw. Eine Dipolkomponente tritt hierbei jedoch nicht auf.
  • Unter Azimutwinkel 8 wird der Winkel der Nut oder Nutgruppe gegenüber den Koordinaten einer zu der Ständerachse senkrechten Ebene verstanden.
  • Die gewünschte Stromverteilung über dem Azimutwinkel 6 kann man auf verschiedene Weise erreichen. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, daß jede Einzelspule mit ihrem ersten Schenkel in der unter dem Azimutwinkel 9 liegenden Nut und mit ihrem zweiten Schenkel in der unter dem Azimutwinkel -θ liegenden Nut angeordnet ist, wobei die Amperewindungszahl einer solchen Spule der vorgenannten Summe (iw) entspricht.
  • Die Stärke der einzelnen Multipole kann durch ein für jede Einzelspule getrennt regelbares Netzgerät oder mittels eines zu den Einzelspulen in Serie oder parallelgeschalteten verstellbaren Widerstandes getrennt variiert werden. Damit ist die Stromverteilung über dem Azimutwinkel auch während des Betriebes veränderbar.
  • Eine Überlagerung von Multipolen verschiedener Ordnung, deren Orientierung relativ zum Azimutwinkel θ=0 veränderbar sein soll, erhält man, wenn die Amperewindungszahl in einer unter dem Azimutwinkel 9 angeordneten Nut oder Nutgruppe der
  • Bedingung
    Figure imgb0011
    entspricht, wobei der Wert von a und b kleiner bis gleich eins ist. Hierbei beschreibt 2k=2 den Multipol der niedrigsten Ordnung (Dipol) und das Verhältnis von b zu a den Tangens des Winkels, um den die Orientierung der Multipol- überlagerung gegenüber der den Werten b = und a= 0 entsprechenden verdreht ist.
  • Die gewünschte Verteilung der Amperewindungszahlen über dem Azimutwinkel 9 kann wiederum auf verschiedene Weise erreicht werden. Eine vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß die Spulenweite der einzelnen Spulen so gewählt ist, daß diese mit ihrem ersten Schenkel in einer unter dem Azimutwinkel 9 liegenden Nut und mit ihrem zweiten Schenkel in einer unter dem Azimutwinkel -9 liegenden Nut angeordnet sind. Die Amperewindungszahl muß der obengenannten Summe für (i· w) entsprechen. Eine Veränderung des Verhältnisses von b zu a während des Betriebes ist dadurch möglich, daß der Strom in den einzelnen Spulen mittels eines Widerstandsnetzwerkes oder durch ein entsprechend regelbares Netzgerät verändert wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Erzielung einer gewünschten Verteilung der Amperewindungszahlen ist dadurch gegeben, daß die gesamte Wicklung des Maschinenständers aus zwei getrennten Teilwicklungen besteht. In jeder Nut ist dann ein Schenkel einer zu der einen Teilwicklung gehörenden Spule und ein Schenkel einer zu der anderen Teilwicklung gehörenden Spule angeordnet. Die Spulenweite ist so gewählt, daß die Spulen mit ihrem ersten Schenkel in einer Nut unter dem Azimutwinkel 6 und mit ihrem zweiten Schenkel in einer Nut unter dem Azimutwinkel -9 zu liegen kommen. Die Amperewindungszahl der zu der einen Teilwicklung gehörenden Spule ist dabei proportional zu
    Figure imgb0012
    und die der zu der anderen Teilwicklung gehörenden Spule proportional zu
    Figure imgb0013
  • Diese so spezifizierten Amperewindungszahlen lassen sich bei gleichem Strom in den beiden Teilwicklungen durch entsprechende Windungszahlen der einzelnen Spulen erreichen. Geht man dagegen von gleichen Windungszahlen aus, müssen die Ströme in den Spulen entsprechend variiert werden. Es können auch beide Möglichkeiten kombiniert werden.
  • In Fig. 4 ist mit 11 der vierpolige Ständer einer Gleichstrommaschine bezeichnet. Dieser Ständer 11 weist vier aus ferromagnetischem Material bestehende Polstücke 12 bis 15 auf, zwischen denen sich radial erstreckte Dauermagnete 16 bis 19 eingefügt sind. Die Polstücke 12 bis 15 sind an einem Rückschlußjoch 20 befestigt. Auf jedem der Polstücke 12 bis 15 ist ferner eine zusätzliche Erregerwicklung 21 angeordnet.
  • Mit N und S ist die Polarisierung der Dauermagnete 16 bis 19 angedeutet. Die Dauermagnete 16 bis 19 sind so zwischen den Polstücken 12 bis 15 eingefügt, daß jeweils aufeinanderfolgende Polstücke eine unterschiedliche Polarität aufweisen.
  • Die Bohrung des Ständers 11 entspricht dem Aperturdurchmesser 2G .
  • Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Polstücke 12 bis 15 auf der der Ständerbohrung zugekehrten Seite einen konkaven Verlauf auf. Um eine bestimmte Magnetfeldverteilung zu erreichen, kann der Verlauf der Polstücke an dieser Stelle auch anders gestaltet werden. Die Polstücke können beispielsweise nach Art einer Hyperbel konvex vorgewölbt sein, um so die Polschuhform nach Fig. 1 zu approximieren. Durch einen entsprechend gestalteten Verlauf der Polstückoberfläche im Bereich der Aperturöffnung ist es möglich, ein Magnetfeld zu erzeugen, daß aus einer überlagerung von Magnetfeldern verschiedener Ordnung besteht.
  • Die Verwendung von Dauermagneten 16 bis 19 zur Erzeugung des Magnetfeldes ergibt eine beträchtliche Energieeinsparung gegenüber den rein elektrisch erzeugten Magnetfeldern. Durch die Anordnung einer zusätzlichen, elektrisch gespeisten Erregerwicklung 21 ist eine Regelmöglichkeit gegeben. Je nach Stromrichtung in dieser Erregerwicklung kann das durch die Dauermagnete erzeugte Magnetfeld verstärkt oder geschwächt werden. Außerdem ist es möglich, die Erregerwicklungen 21 von aufeinanderfolgenden Polstücken, beispielsweise den Polstücken 12 und 13, mit unterschiedlichen Strömen zu speisen, so daß eine leichte Verdrehung des Magnetfeldes erreicht wird.
  • Eine Steuerung des Magnetfeldes ist bei einem solchen durch Dauermagnete erregten Ständer auch durch das Anbringen von einstellbaren Nebenschlußwegen möglich. Durch solche Nebenschlußwege wird ein Teil des von den Dauermagneten ausgehenden magnetischen Flusses parallel zu den Polstücken kurzgeschlossen, so daß das Magnetfeld entsprechend dem kurzgeschlossenen Fluß geschwächt wird.
  • Zur Erreichung besonders starker Magnetfelder ist es vorteilhaft, wenn zumindest in dem der Ständerbohrung benachbarten Bereich (Polstückspitzen) Seltenerd-Kobalt-Magnete (Samarium-Kobalt-Magnete) angeordnet sind. In dem weiter zurückliegenden Bereich können Ferritmagnete eingefügt sein.
  • Wird auf eine elektrische Erregerwicklung 21 verzichtet, dann können zur Verstärkung des Magnetfeldes zwischen den Polstücken 12 bis 15 und dem Rückschlußjoch 20 weitere Dauermagnete, insbesondere Ferritmagnete, eingefügt werden.
  • In dem Ausführungsbeispiel ist ein vierpoliger Ständer dargestellt. Es können auch Ständer anderer Polzahl verwendet werden, wenn ein magnetisches Feld höherer oder niederer Polzahl zur Beeinflussung des Teilchenstromes benötigt wird.

Claims (18)

1. Magnetische Multipolanordnung n-ter Ordnung zur Beeinflussung der Flugbahnen von geladenen Teilchen, dadurch gekennzeichnet , daß als Multipolanordnung der Ständer einer mehrphasigen Wechselstrommaschine vorgesehen ist, deren Ständerwicklung von einer Spannungsquelle derart gespeist wird, das das Produkt aus Strom und Windungszahl (Amperewindungszahl i w) in einer unter dem Azimutwinkel 9 angeordneten Nut oder Nutgruppe proportional oder zumindest angenähert proportional zu cos nθ oder zu a cos(nθ)+b sin(nθ) ist, wobei n der Ordnungszahl der Multipolanordnung entspricht und die Faktoren a und b dem Verhältnis b/a, welches die Orientierung des Multipols relativ zu dem Azimutwinkel θ=0 angibt, entnommen sind.
2. Multipolanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Produkt aus Strom und Windungszahl in einer unter dem Azimutwinkel 8 angeordneten Nut oder Nutgruppe proportional zu der Summe
Figure imgb0014
oder proportional zu der Summe
Figure imgb0015
ist, wobei (iw)2n jeweils die dem n-ten Multipol zugeordnete maximale Amperewindungszahl bedeutet.
3. Multipolanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Wechselstrommaschine eine n-polige Drehstrommaschine vorgesehen ist, deren Phasenwicklungen jeweils aus zwei gesonderten Spulensätzen bestehen, wobei diese Spulensätze mit ihrem einen Schenkel in einer Nut oder Nutgruppe unter dem Azimutwinkel 9 und mit ihrem anderen Schenkel in einer Nut oder Nutgruppe unter dem Azimutwinkel -8 liegen, daß der eine Spulensatz von einem solchen Strom durchflossen wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl dieses Spulensatzes proportional
Figure imgb0016
ist und der andere Spulensatz von einem solchen Strom durchflossen wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl dieses Spulensatzes proportional zu
Figure imgb0017
ist.
4. Multipolanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Wechselstrommaschine eine n-polige Drehstrommaschine vorgesehen ist, deren Phasenwicklungen jeweils aus zwei gesonderten Spulensätzen bestehen, wobei diese Spulensätze mit ihrem einen Schenkel in einer Nut oder Nutgruppe unter dem Azimutwinkel 0 und mit ihrem anderen Schenkel in einer Nut oder Nutgruppe unter dem Azimutwinkel θ+π/k liegen, daß der eine Spulensatz von einem solchen Strom durchflossen wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl dieses Spulensatzes proportional zu
Figure imgb0018
ist und der andere Spulensatz von einem solchen Strom durchflossen wird, daß das Produkt aus Strom und Windungszahl dieses SDulensatzes DroDortional zu
Figure imgb0019
ist.
5. Multipolanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Wechselstrommaschine eine n-polige Drehstrommaschine vorgesehen ist, bei der die einen Phasenstrang (5) bildenden Spulen zu der Reihenschaltung der die beiden anderen Phasenstränge (4 und 6) bildenden Spulen umgekehrt parallelgeschaltet sind.
6. Multipolanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß zu dem einen (6) von den beiden in Reihe liegenden Phasensträngen (4 und 6) ein ohmscher Widerstand (7) parallelgeschaltet ist.
7. Multipolanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der ohmsche Widerstand (7) verstellbar ist.
8. Multipolanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Spulen an verschiedene regelbare Gleichstromquellen angeschlossen sind.
9. Multipolanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Spulen mit Gleichspannungsimpulsen gespeist sind, deren Frequenz auf die Pulsung des Teilchenstromes derart abgestimmt ist, daß jeder Teilchenpuls in den räumlich hintereinander angeordneten Maschinenständern gleiche oder in von Maschinenständer zu Maschinenständer fest vorgegebener Weise veränderte Multipolfelder vorfindet.
10. Magnetische Multipolanordnung n-ter Ordnung zur Beeinflussung der Flugbahn von geladenen Teilchen, dadurch gekennzeichnet , daß als Multipolanordnung ein durch Dauermagnete erregter Ständer einer Gleichstrommaschine vorgesehen ist.
11. Multipolanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die gesamte Fläche der Polstücke des Ständers mit Ausnahme der der Ständerbohrung zugewandten Fläche mit Dauermagneten bedeckt ist.
12. Multipolanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß zusätzlich zu den Dauermagneten eine Erregerwicklung auf den Polstücken angeordnet ist.
13. Multipolanordnung nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß nur die radial gerichteten Seitenflächen der Polstücke mit Dauermagneten bedeckt sind.
14. Multipolanordnung nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest in dem der Ständerbohrung benachbarten Bereich die radialen Seitenflächen der Polstücke mit Seltenerd-Kobalt-Magneten bedeckt sind.
15. Multipolanordnung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet , daß der Strom in den Erregerwicklungen von aufeinanderfolgenden Polstücken unterschiedlich einstellbar ist.
16. Multipolanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Polstücke auf der Ständerbohrungsseite hyperbelförmig ausgebildet sind.
17. Multipolanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Polstücke auf der Ständerbohrungsseite so ausgebildet sind, daß ihr Konturenverlauf in Zylinderkoordinaten r, 8, deren Achse mit der optischen Achse der Anordnung zusammenfällt, zumindest näherungsweise beschrieben wird durch
Figure imgb0020
wobei G der o Scheitelabstand der Polstücke von der optischen Achse und n die Anordnung des Multipols ist, der in der vorliegenden Multipolanordnung am stärksten ausgebildet sein soll.
18. Multipolanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß durch entsprechende Gestaltung der Polstücke und/oder durch entsprechende elektrische Zusatzerregung eine Magnetflußdichteverteilung erzeugt wird, bei der sich mehrere Multipole verschiedener Ordnung mit der jeweils gewünschten Stärke der einzelnen Multipole überlagern.
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