EP1692923B1 - Undulator und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

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EP1692923B1
EP1692923B1 EP04820401A EP04820401A EP1692923B1 EP 1692923 B1 EP1692923 B1 EP 1692923B1 EP 04820401 A EP04820401 A EP 04820401A EP 04820401 A EP04820401 A EP 04820401A EP 1692923 B1 EP1692923 B1 EP 1692923B1
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undulator
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undulators
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Robert Rossmanith
Uwe Schindler
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • 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 undulators which serve as a source of electromagnetic radiation - hereinafter also referred to as light - which is generated from a particle flow (eg from electrons) passing through the undulator, as well as a method for operating an undulator.
  • Undulators are used in particular for the generation of X-rays in synchrotron radiation sources.
  • the first solution leads, in order to enable the mobility of the magnets under the strong, occurring forces there, to elaborate mechanical structures.
  • the Berlin electron synchrotron BESSY uses permanent magnet undulators with a mechanically variable polarization direction.
  • a variant of this technique is disclosed in JP 103 02 999 A.
  • the second solution is only extremely conditionally applicable in normal operation, z. B. at low beam energies, and therefore without practical significance.
  • the author describes a lean, planar undulator but not the combination of two partial undulators.
  • JP 02 306 599 A A two-part undulator, each sub-undulator comprising a superconductive coil, is disclosed in JP 02 306 599 A.
  • a superconducting undulator is to be specified, which allows the adjustment and change of the polarization direction of the synchrotron radiation without mechanical movement. This is intended, for example, to switch the direction of polarization of the synchrotron radiation from linear to circular or to change the direction of helicity, the helicity describing the direction of rotation of the electric field.
  • the idea underlying the invention is to switch the polarization direction of the emitted synchrotron radiation by designing the conductor arrangement of a superconducting undulator in such a way that the direction of polarization is changed by changing the polarization direction Current direction in the superconducting conductor assembly can be adjusted or changed without mechanical movements. With these precautions, the polarization direction of the emitted radiation can be switched over in particular from linear to cyclic or change the helicity.
  • variable polarization direction undulator is based on the attachment of two different conductor arrangements (windings) made of superconducting material, which can be supplied with power independently of each other.
  • the second sub-undulator has a conductor arrangement substantially in the x-direction and according to the prior art generates an undulator field which is oriented substantially in the z-direction.
  • a particle stream (electron beam) that would pass through this undulator in the y direction would produce linearly polarized light.
  • the conductor arrangement of the first sub-undulator is designed such that its conductor has an angle in the value range between 15 ° and 75 °, preferably between 30 ° and 60 °, particularly preferably about 30 °, about 45 ° or about 60 °, both to the conductors of the second sub-undulator, which are arranged in the x-direction, as well as to the direction of the electron beam, which is arranged in the y-direction assume. That is, the conductors of the first sub-undulator take a certain angle relative to the x-z plane subtended by the second sub-undulator and its undulator field.
  • an undulator field is generated in the first sub-undulator, which-as well as in the second sub-undulator-has a component in the z-direction, but moreover also a component other than zero in the x-direction.
  • the radiation thus generated is circularly polarized and has a certain helicity.
  • a superconducting undulator according to the invention is operated as follows: First, a first current of a value I 1 is applied , which flows through the superconductor of the first (inner) sub-undulator, thereby producing circularly polarized light of a certain direction. In general, however, this direction does not match the desired helicity for the circular radiation. In order to achieve a match, a second current is turned on with a value I 2 flowing through the superconductor of the second (outer) sub-undulator, the value I 2 being chosen to partially compensate for the undulator field in the z-direction so that one finally obtains the desired helicity of the circular radiation.
  • the present invention therefore makes it possible to adjust the helicity of the emitted synchrotron radiation to any desired desired value without mechanical movements being necessary for this purpose.
  • it is possible to generate light with both directions of rotation, elliptically polarized light and linearly polarized light, while at the same time considerably simplifying the effort for undulators with a variable polarization direction.
  • an undulator according to the invention is constructed with the following dimensions: Gap, ie free opening for the introduced electron beam 17 mm Angle of the helical winding 45 ° period 50 mm Number of periods 40 overall length 2 m
  • Fig. 2 shows two sections through a section of this undulator, wherein each of 12 of the 40 periods are shown. It consists of the two sub-undulators 3 and 4, hereinafter referred to as planar undulator 3, which generates an undulator field in the z-direction, or as a helical undulator 4, which generates an undulator field, the components in both the z-direction and in the x direction.
  • planar undulator 3 which generates an undulator field in the z-direction
  • a helical undulator 4 which occupies an angle of 45 ° relative to the planar undulator 3 .
  • the undulator itself consists overall of an iron body 1 , the is surrounded with magnetically inactive material 2 , in which the superconducting windings of the planar sub-undulator 3 and the helical sub-undulator 4 are introduced.
  • B z and B x denote the amounts of the undulator fields in the z and x directions, respectively.
  • the period length is 50 mm.

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Description

  • Die Erfindung betrifft Undulatoren, die als Quelle für elektromagnetische Strahlung - im Folgenden auch als Licht bezeichnet - dienen, die aus einem Teilchenstrom (z. B. aus Elektronen), der den Undulator durchläuft, erzeugt wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Undulators. Undulatoren werden insbesondere für die Erzeugung von Röntgenstrahlen in Synchrotronstrahlungsquellen eingesetzt.
  • Es gibt weltweit zahlreiche Versuche, Undulatoren aus Permanentmagneten so aufzubauen, dass durch mechanische Bewegungen die Polarisationsrichtung des emittierten Lichts verändert werden kann. Eine Übersicht der Techniken kann H. Onuki und P. Elleaume, Undulators, Wigglers and their Applications, Kap. 6, Polarizing undulators and wigglers, Taylor and Francis, 2003, entnommen werden. Gemäß dem dort beschriebenen Stand der Technik sind zwei Arten bekannt, die Polarisationsrichtung zu verändern:
    • durch mechanisches Verschieben der Permanentmagnete oder
    • durch Aufteilen des Undulators und Manipulation des Strahls zwischen den Undulator-Teilen.
  • Die erste Lösung führt, um die Beweglichkeit der Magnete unter den starken, dort auftretenden Kräften zu ermöglichen, zu aufwändigen mechanischen Konstruktionen. Beispielsweise setzt das Berliner Elektron-Synchrotron BESSY Permanentmagnet-Undulatoren mit mechanisch veränderbarer Polarisationsrichtung ein. Eine Variante dieser Technik ist in der JP 103 02 999 A offenbart. Die zweite Lösung ist im normalen Betrieb nur äußerst bedingt anwendbar, z. B. bei niedrigen Strahlenergien, und daher ohne praktische Bedeutung.
  • Unmittelbar nach der Offenlegung der supraleitenden planaren Undulatoren in R. Rossmanith und H. O. Moser, Study of a Superconductive in-vacuo Undulator for Storage Rings with an Electrical Tunability between K = 0 and K = 2, Proc. European Accelerator Conference, 2000, Wien, begannen Spekulationen, ob es nicht möglich sei, supraleitende Undulatoren mit helischer Polarisation zu wickeln. Die erste technische Notiz stammt von R. P. Walker, damals Direktor von Elettra, Triest, New Concept for a Planar Superconducting Helical Undulator, 18. Oktober 2000. Eine weitere Ideenskizze für helischen Undulator stammt von R. Pitthahn und J. Sheppard, SLAC, Use of a Microundulator to Study Positron Production, 5. Februar 2002.
  • Eine weitere Zusammenfassung findet sich im Vortrag von Shigemi Sasaki, Argonne, Design for a superconducting planar helical undulator, ESRF, Juni 2003, in dem der Autor die Idee, das Konzept der supraleitenden planaren Undulatoren auf helische Undulatoren auszudehnen, befürwortet, es aber offen sei, wie man die Polarisationsrichtung verändern könnte.
  • Der Autor beschreibt einen schiefen, planaren Undulator aber nicht die Kombination von zwei Teil-Undulatoren.
  • Ein zwei-Teil-Undulator, wobei jeder Teil-Undulator eine supraleitende Spule umfaßt, ist in der JP 02 306 599 A offenbart.
  • Ausgehend davon ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Undulator sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Undulators anzugeben, die die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen. Insbesondere soll ein supraleitender Undulator angegeben werden, der die Einstellung und Änderung der Polarisationsrichtung der Synchrotronstrahlung ohne mechanische Bewegung erlaubt. Damit soll beispielsweise die Polarisationsrichtung der Synchrotronstrahlung von linear auf zirkular umgeschaltet oder die Helizitätsrichtung geändert werden können, wobei die Helizität die Drehrichtung des elektrischen Feldes beschreibt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und die Verfahrensschritte des Patentanspruchs 6.
    Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, die Polarisationsrichtung der emittierten Synchrotronstrahlung dadurch zu schalten, dass die Leiteranordnung eines supraleitenden Undulators so gestaltet ist, dass die Polarisationsrichtung durch Änderung der Stromrichtung in der supraleitenden Leiteranordnung ohne mechanische Bewegungen eingestellt bzw. verändert werden kann. Mit diesen Vorkehrungen lässt sich die Polarisationsrichtung der emittierten Strahlung insbesondere von linear auf zyklisch umschalten bzw. die Helizität verändern.
  • Der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Undulators wird an Hand von Fig. 1 erläutert. Die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Undulators mit variabler Polarisationsrichtung basiert auf der Anbringung von zwei verschiedenen Leiteranordnungen (Wicklungen) aus supraleitendem Material, die unabhängig voneinander mit Strom versorgt werden können.
  • Ein erfindungsgemäßer Undulator besteht demnach aus zwei supraleitenden Teil-Undulatoren, und zwar
    1. a) aus einem ersten Teil-Undulator, durch dessen supraleitendes Material hoher Stromtragfähigkeit der Strom I1 fließt und der in Bezug auf seinen Abstand vom Elektronenstrahl E auch als innerer Undulator bezeichnet wird, und
    2. b) aus einem zweiten Teil-Undulator, durch dessen supraleitendes Material hoher Stromtragfähigkeit der Strom I2 fließt und der im Vergleich zum ersten Teil-Undulator einen größeren Abstand vom Elektronenstrahl E aufweist und daher auch als äußerer Undulator bezeichnet wird,
    wobei sich die beiden Ströme I1 und I2 unabhängig voneinander einstellen lassen.
  • Wie aus der Fig. 1 entnommen werden kann, besitzt der zweite Teil-Undulator eine Leiteranordnung im Wesentlichen in x-Richtung und erzeugt gemäß dem Stand der Technik ein Undulatorfeld, das im Wesentlichen in z-Richtung orientiert ist. Ein Teilchenstrom (Elektronenstrahl), der in y-Richtung durch den diesen Undulator gehen würde, würde linear polarisiertes Licht erzeugen.
  • Die Leiteranordnung des ersten Teil-Undulators ist derart gestaltet, dass dessen Leiter einen Winkel im Wertebereich zwischen 15° und 75°, bevorzugt zwischen 30° und 60°, besonders bevorzugt ca. 30°, ca. 45° oder ca. 60°, sowohl zu den Leitern des zweiten Teil-Undulators, die in x-Richtung angeordnet sind, als auch zur Richtung des Elektronenstrahls, der in y-Richtung angeordnet ist, annehmen. Das heißt, die Leiter des ersten Teil-Undulators nehmen einen bestimmten Winkel relativ zu der durch den zweiten Teil-Undulator und dessen Undulatorfeld aufgespannten x-z-Ebene an. Dadurch wird im ersten Teil-Undulator ein Undulatorfeld erzeugt, das - ebenso wie im zweiten Teil-Undulator - eine Komponente in z-Richtung, aber darüber hinaus auch eine von Null verschiedene Komponente in x-Richtung aufweist. In Folge dieser erfindungsgemäßen Leiteranordnung ist die damit erzeugte Strahlung zirkular polarisiert und weist eine bestimmte Helizität auf.
  • Ein erfindungsgemäßer supraleitender Undulators wird wie folgt betrieben: Zunächst wird ein erster Strom mit einem Wert I1 eingeschaltet, der durch den Supraleiter des ersten (inneren) Teil-Undulators fließt, wodurch zirkular polarisiertes Licht einer bestimmten Richtung erzeugt wird. Im Allgemeinen stimmt diese Richtung jedoch nicht mit der gewünschten Helizität für die zirkulare Strahlung überein. Um eine Übereinstimmung zu erzielen, wird ein zweiter Strom mit einem Wert I2 eingeschaltet, der durch den Supraleiter des zweiten (äußeren) Teil-Undulators fließt, wobei der Wert I2 so gewählt wird, dass dieser das Undulatorfeld in z-Richtung teilweise kompensiert, so dass man schließlich die gewünschte Helizität der zirkularen Strahlung erhält.
  • Im Falle, dass die Werte I1 und I2 der beiden Ströme so gewählt werden, dass sich die z-Komponenten der beiden Teil-Undulatoren gerade kompensieren, bleibt ein Undulator mit einem Feld in x-Richtung übrig. Bei weiterer Erhöhung des Wertes von I1 wird eine Strahlung mit entgegen gesetzter Helizität aus dem Undulator emittiert.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt daher, die Helizität der emittierten Synchrotronstrahlung auf einen beliebigen, gewünschten Wert einzustellen, ohne dass hierfür mechanische Bewegungen nötig sind. Damit lässt sich also Licht mit beiden Drehrichtungen, elliptisch polarisiertes Licht und linear polarisiertes Licht erzeugen und dies bei gleichzeitiger wesentlicher Vereinfachung des Aufwands für Undulatoren mit variabler Polarisationsrichtung.
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    prinzipielle Anordnung eines erfindungsgemäßen Undulators,
    Fig. 2
    Schnitte durch einen erfindungsgemäßen Undulator.
  • Für die WERA Beamline der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA, Karlsruhe, wird ein erfindungsgemäßer Undulator mit folgenden Dimensionen aufgebaut:
    Gap, d.h. freie Öffnung für den eingebrachten Elektronenstrahl 17 mm
    Winkel der helischen Wicklung 45°
    Periode 50 mm
    Anzahl der Perioden 40
    Gesamtlänge 2 m
  • Fig. 2 zeigt zwei Schnitte durch einen Ausschnitt dieses Undulators, wobei jeweils 12 der 40 Perioden abgebildet sind.
    Er besteht aus den beiden Teil-Undulatoren 3 und 4, die im Folgenden als planarer Undulator 3, der ein Undulatorfeld in z-Richtung erzeugt, bzw. als helischer Undulator 4, der ein Undulatorfeld erzeugt, das Komponenten sowohl in z-Richtung als auch in x-Richtung aufweist, bezeichnet werden. Der helische Undulator 4 nimmt hierbei einen Winkel von 45° bezogen auf den planaren Undulator 3 ein.
  • Der Undulator selbst besteht insgesamt aus einem Eisenkörper 1, der mit magnetisch inaktivem Material 2 umgeben ist, in das die supraleitenden Wicklungen des planaren Teil-Undulators 3 und des helischen Teil-Undulators 4 eingebracht sind.
  • Beim Betrieb des erfindungsgemäßen helischen und den planaren Teil-Undulators ergeben sich die folgenden Undulatorfelder. Hierbei bezeichnen Bz und Bx die Beträge der Undulatorfelder in z- bzw. x-Richtung. Die Periodenlänge beträgt 50 mm.
    Anordnung helisch, eine Richtung helisch, andere Richtung planar vertikal planar horizontal
    Stromstärke, helischer Teil 350 A 350 A 0 A 350 A
    Stromstärke, planarer Teil -145 A -980 A -250 A -400 A
    Phase zwischen Bz und Bx 90° -88,56° - -
    Bz,max/Tesla 0.285467 0.283389 0.284269 -
    Bx,max/Tesla 0.283069 0.283069 - 0.283069

Claims (7)

  1. Undulator zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung aus einem in diesen eingebrachten Teilchenstrom, umfassend mindestens zwei Teil-Undulatoren (3, 4), wobei jeder Teil-Undulator (3, 4) ein supraleitendes Material umfasst, das bei der Beaufschlagung mit einem Strom ein Undulatorfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Undulatorfeld senkrecht zur Richtung des Stroms angeordnet ist, und das supraleitende Material in den einzelnen Teil-Undulatoren (3, 4) derart angeordnet ist, dass die von den Teil-Undulatoren (3, 4) erzeugten Undulatorfelder nicht parallel zueinander stehen.
  2. Undulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, mit denen die Beträge der Ströme, die das supraleitende Material in den einzelnen Teil-Undulatoren beaufschlagen, unabhängig voneinander eingestellt werden können, wodurch das resultierende Undulatorfeld, das sich aus der Überlagerung der von den Teil-Undulatoren erzeugten Undulatorfelder ergibt, die Polarisationsrichtung der Synchrotronstrahlung festlegt.
  3. Undulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil-Undulator so angeordnet ist, dass dessen erstes Undulatorfeld im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Teilchenstroms steht, und ein zweiter Teil-Undulator so angeordnet ist, dass dessen zweites Undulatorfeld eine von Null verschiedene Komponente sowohl in Richtung des ersten Undulatorfelds als auch in diejenige Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des ersten Undulatorfelds und im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Teilchenstroms steht, aufweist.
  4. Undulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Teil-Undulator einen Winkel mit einem Wert ausgewählt aus dem Bereich zwischen 15° und 75° zueinander einnehmen.
  5. Undulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Winkel ein Wert zwischen 30° und 60° ausgewählt wird.
  6. Verfahren zum Betrieb eines Undulators zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung aus einem in diesen eingebrachten Teilchenstrom, mit den Schritten
    - Beaufschlagen einer ersten Anordnung aus supraleitendem Material eines ersten Teil-Undulators mit einem ersten Strom, wodurch ein erstes Undulatorfeld erzeugt wird,
    - Beaufschlagen einer zweiten Anordnung aus supraleitendem Material eines zweiten Teil-Undulators mit einem zweiten Strom, wodurch ein zweites Undulatorfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Undulatorfeld senkrecht zur Richtung des ersten Stroms steht, das zweite Undulatorfeld senkrecht zur Richtung des zweiten Stroms, jedoch nicht parallel zur Richtung des ersten Undulatorfelds steht,
    und die Beträge des ersten und zweiten Stroms so gewählt werden, dass das resultierende Undulatorfeld, das sich durch Überlagerung aus dem ersten und zweiten Undulatorfeld ergibt, die Polarisationsrichtung der Synchrotronstrahlung festlegt.
  7. Verfahren zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beträge der Ströme durch die supraleitenden Materialien beider Teil-Undulatoren so gewählt werden, dass sich die Komponenten der beiden Undulatorfelder in Richtung des ersten Undulatorfelds kompensieren, wodurch ein resultierendes Undulatorfeld erzeugt wird, das senkrecht sowohl zur Richtung des ersten Undulatorfelds als auch zur Richtung des Teilchenstroms steht.
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