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Die
Erfindung betrifft einen planar-helischen Undulator zur elektrisch
variierbaren und bezüglich der
Undulatorlänge
abschnittsweise unterschiedlichen Polarisierung der aus ihm emittierten
Photonenstrahlung.
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Der
Undulator ist eine Lichtquelle, die polarisierte Strahlung abgibt.
Er ist hierzu entlang einer, bzw. um eine Beschleunigerstrecke positioniert.
Der Undulator wirkt mit dem achsnahen Bereich seines Magnetfelds
auf den durchlaufenden, elektrisch geladenen Teilchenstrom ein.
Der Teilchenstrom wechselwirkt aufgrund seiner Geschwindigkeit v → im
Undulatorbereich mit dem Undulatormagnetfeld B → gemäß der Beziehung v → × B →, einer
ablenkenden Feldstärke, bzw.
einer auslenkenden Kraft, der Lorentzkraft F →L = e(v → × B →). Undulatoren
werden insbesondere für
die Erzeugung kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, überwiegend
Röntgenstrahlung,
in Synchrotronen eingesetzt. Die Strahlachse der vom Undulator emittierten
Photonenstrahlung ist tangential zur Teilchenstrahlachse.
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Inder
DE 103 58 225 B3 wird
ein Undulator und ein Verfahren zu dessen Betrieb beschrieben. In der
Beschreibungseinleitung dieser Schrift wird der Stand der Technik
ausführlich
abgehandelt und der physikalische Gedanke zum Aufbau eines speziellen Undulators,
der aus mindestens zwei Baugruppen besteht, ausführlich abgehandelt. Der beschriebene Undulator
erzeugt mit seinem Magnetfeld und dem durch dieses tretenden Teilchenstrom
Synchrotronstrahlung, wobei jeder Teilundulator ein supraleitendes
Material umfasst, das bei der Beaufschlagung mit einem Strom ein
Undulatorfeld erzeugt, das senkrecht zur Richtung des Stroms angeordnet
ist, und das supraleitende Material in den einzelnen Teilundulatoren
derart angeordnet ist, dass die von den Teilundulatoren erzeugten
Undulatorfelder nicht paral lel zueinander stehen. Neben der Erläuterung
des physikalischen Bauprinzips wird eine Undulatorspule mit zwei
gleich langen Sektionen, einer eingeschoben planaren und einer umgebenden
helischen Sektion vorgestellt.
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In
dem wissenschaftlichen Bericht FZKA 6997 des Forschungszentrums
Karlsruhe GmbH ist von U. Schindler ein supraleitender planar-helischer Undulator
mit elektrisch umschaltbarer Helizität insbesondere in dem Kapitel
4 Supraleitende Undulatoren beschrieben. Eine Spule des Undulators
geht aus der andern durch Klappung um 180° um die Undulatorachse hervor.
Mit diesem planar-helischer Undulator kann Röntgenstrahlung mit elektrisch
variierbarer Polarisierung erzeugt werden. Er hat folgenden Aufbau:
Zwei
gleichartigen Spulen liegen sich bezüglich der Undulatorachse, die
im Einbau ein Teil der Synchrotronstrahlachse bildet, äquidistant
gegenüber
und haben gleichen Abstand zur Undulatorachse. Eine Spule besteht
aus zwei Sektionen, einer helischen und einer planaren Sektion,
wovon die planere Sektion in die helische eingeführt und darin positioniert
ist. Die Sektionen bestehen aus je einem Spulenkörper aus nichtmagnetischem
Material, in den ebene Wicklungskammern um die Spulenachse eingefräst sind. Die
planare Spulenkörperachse
fällt mit
der helischen Spulenkörperachse
zusammen, beide bilden die bzw. liegen auf der Spulenachse.
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Die
planaren Wicklungskammern sind senkrecht von der Spulenachse, die
helischen Wicklungskammern gleichartig unter einem Winkel 45° von der helischen
Spulenachse durchdrungen. Die Abstände der aufeinander folgenden
Wicklungskammern, die bauliche Periodenlänge λb, sind
in beiden Spulenkörpern
gleich. Die Undulatorachse und die Spulenachsen sind zueinander
parallel und liegen in einer Ebene, der Achsenebene.
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Der
Boden einer jeden Wicklungskammer, der Wicklungsgrund, ist konvex,
speziell kreisförmig bei
der eingeschobenen planaren Sektion. Die Stelle im Wicklungsgrund
mit dem größten Krümmungsradius
oder der Bereich mit dem größten Krümmungsradius
bei der helischen Sektion liegt der Undulatorachse mittig zur Achsenebene
am nächsten.
Die beiden Sektionen einer Spule sind so zueinander positioniert,
dass eine planare und umfassende helische Wicklungskammer am gleichen
axialen Ort sich in der Achsenebene zweimal windschief kreuzen und sich
mit ihrem zur Undulatorachse jeweils nächstliegenden Bereich am nächsten kommen,
wobei dort der Krümmungsradius
der Wicklungskammer aus der eingeführten Sektion höchsten gleich
dem Krümmungsradius
der Windungskammer der umfassenden Sektion ist und die beiden Wicklungskammerebenen
einen Winkel α =
45° bilden.
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Eine
Sektion besteht aus einem Ein- und Ausgangsbereich für den Wicklungsdraht
auf der Mantelfläche
im einen Stirnbereich und aus einer Wicklungsdrahtverbindung auf
der Mantelfläche
im andern Stirnbereich, dazwischen befindet sich der Wicklungskammerbereich,
wobei eine Sektion aus einem Stück
ist oder bei kleiner Wicklungskammeranzahl aus den beiden Stirnbereichen
oder bei größerer Wicklungskammeranzahl
aus den beiden Stirnbereichen und mindestens einem dazwischen liegenden
Kammerbereich besteht, wobei die mindestens zwei Sektionsteile über axiale
Verbindungselemente sektionsbildend miteinander verbunden sind.
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Der
Wicklungsdraht ist ein normaler elektrischer Leiter oder ein technischer
Supraleiter. Mit ihm ist eine Sektion unter ständiger, vorgegebener Zugspannung
im stets gleichen Wicklungssinn folgendermaßen bewickelt:
Ein erstes
Stück Wicklungsdraht
verläuft
vom Wicklungsdrahteingang formschlüssig einliegend über die Mantelfläche zum
Wicklungsgrund der ersten Wicklungskammer und unterquert diese formschlüssig einliegend.
Er durchschneidet dann den Mantel zur folgenden, zweiten Wicklungskammer
zum Wicklungsgrund und ist darin hoch gewickelt. Von dort durchschneidet
der Wicklungsdraht den Mantel zur folgenden, dritten Wicklungskammer,
verläuft
dort zum Wicklungsgrund und unterquert diesen formschlüssig einliegend.
Weiter durchschneidet er den Mantel zum Wicklungsgrund der folgenden,
vierten Wicklungskammer und ist darin gleichsinnig wie zuvor hoch
gewickelt. In dieser Manier bis zur letzten geradzahligen Wicklungskammer,
von der aus er, wenn diese die letzte Wicklungskammer ist, hoch
gewickelt zur Wicklungsdrahtverbindung führt, oder, wenn die letzte
Wicklungskammer eine ungeradzahlige ist, über einen letztmalige Unterquerung
in dieser zu der Wicklungsdrahtverbindung führt.
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Ein
zweites Stück
Wicklungsdraht verläuft vom
Wicklungsdrahtausgang formschlüssig
einliegend über
die Mantelfläche
zum Wicklungsgrund der ersten Wicklungskammer und ist darin gleichsinnig wie
in den geradzahligen Wicklungskammern hoch gewickelt. Er durchschneidet
dann den Mantel zur zweiten Wicklung, überquert diese, durchschneidet dann
den Mantel zur dritten Wicklungskammer auf den Wicklungsgrund und
ist darin gleichsinnig wie zuvor hoch gewickelt. Dann durchschneidet
er den Mantel zur vierten Wicklungskammer, überquert diese, durchschneidet
dann den Mantel zur fünften Wicklungskammer
auf den Wicklungsgrund und ist darin hoch gewickelt. In dieser Manier
bis zur letzten geradzahligen Wicklungskammer, von der aus er die geradzahlige
Wicklung überquert
und zur Wicklungsdrahtverbindung führt. Die Unter- und Überführungen sowie
die Leiteranschlüsse
und Leiterverbindungen liegen in dem der Undulatorachse abgewandten
Bereich der Spulenkörper.
Durch die Verbindung der beiden Wicklungsdrahtstücke liegen die Wicklungen elektrisch
zueinander in Reihe, erzeugen aber bei Bestromung Magnetfelder,
deren aufeinander folgende Magnetfeldachsen entgegengesetzt verlaufen,
im Fall der helischen Sektion entgegengesetzt parallel. Die Wicklungszahl
in den Wicklungskammern einer Sektion ist konstant.
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Des
Weiteren sind Mittel vorhanden, 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, wozu ein
erster Teilundulator so angeordnet ist, dass dessen erstes Undulatorfeld
im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Teilchenstroms steht,
und ein zweiter Teilundulator 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.
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Das
technische Problem ist die Herstellung eines Undulators und damit
die Realisierung der Wicklungen eines solchen Undulators. Insbesondere mit
supraleitenden Undulatoren können
lokal hohe Magnetfeldstärken
und starke Feldgradienten erreicht werden, mit denen ein sicherer
Betrieb ohne Degradation und spontanen Übergang von der Supraleitung
in die Normalleitung, der Quench-Effekt bzw. das Quenchen, möglich ist.
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Die
in der
DE 103 58 225
B3 beschriebene Physik stellt die Aufgabe, einen Undulator
aus elektromagnetischen Baukomponenten bereitzustellen, mit dem
nur über
die Veränderung
des Stromes in den das Undulatormagnetfeld erzeugenden Leiterabschnitten
und nicht über
mechanisch/örtlich
bewegte Undulatorbereiche die angestrebte Polarisation des aus dem
Undulator emittierten Lichts eingestellt werden kann. Für die die
rein lineare, zirkulare, im Allgemeinen elliptische Polarisierung
ist in dem oben zitierten wissenschaftlichen Bericht FZKA 6997 die technische
Lösung
mit konstruktiven Details der Spulenkörper be schrieben und gezeigt.
Dieser planar-helische Undulator kann je nach Stromeinstellung in
den beiden Spulen aber nur eine der drei aufgeführten Polarisierungen des emittierten
Lichtstrahls mit einer elektrisch eine vollständig um 360° variierbaren Polarisierung
der aus ihm emittierten Photonenstrahlung bewirken. Eine abschnittsweise unterschiedliche
Polarisierung ist damit technisch nicht zu erreichen.
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Aus
dieser zwingenden Festlegung nur einer Art der Polarisierung ergibt
sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt. Es soll einerseits
eine technische Lösung
eines planar-helischen
Undulators angegeben werden, mit dem ebenfalls entweder nur die lineare
oder nur die zirkulare oder nur die elliptische Polarisierung eingestellt
werden kann, andrerseits aber auch die technische Lösung eines
planar-helischen Undulators angegeben werden, mit dem der emittierte
Lichtstrahl, das Synchrotronlicht aus dem Undulator, abschnittsweise
unterschiedlich polarisiert auftritt. Dabei sollen die das Magnetfeld
erzeugenden Einrichtungen des Undulators in bekannter Weise aus
elektrisch normalleitenden, insbesondere supraleitenden solenoidalen
Wicklungen bestehen. Ebenfalls sollen im Falle der Verwendung von
Supraleitern die Randbedingungen zur Herstellung von supraleitenden
Spulen eingehalten werden. Das sind wenigstens: geeignete Supraleiter,
geeignete Spulenkörper,
elektrische Isolation des Wickelkörpers, Leiterführung in
den Wickelkammern, Leiterführung am
Spulenein- und -ausgang, Leiterführung
in den Überquerungen,
Spulenein- und -ausgang, Überstiege,
Lorentzkräfte,
Quenchsicherheit.
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Die
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Baustruktur gelöst. Die
Lösungsmerkmale
sind folgende:
Ein Wicklungsgrund, der den Boden einer jeden Wicklungskammer
einer Sektion bildet, hat konvexe Gestalt. Die Stelle oder der Bereich
im Wicklungsgrund mit dem größten Krümmungsradius
liegt der Undulatorachse mittig zur Achsenebene am nächsten.
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Die
beiden Sektionen einer Spule haben unterschiedliche Anzahlen an
Wicklungskammern und die Sektion mit der kleineren Anzahl Wicklungskammern
ist völlig
im Längsbereich
der längeren
Sektion positioniert. Die Windungszahl aufeinander folgender Wicklungen
einer Sektion ist konstant oder ändert sich
bezüglich
der Sektionsmitte symmetrisch. Die Anzahl an Wicklungskammern der
planaren Sektion ist >=
2 und die Anzahl der Wicklungskammern der helischen Sektion einer
Spule ist >= 2 und
geradzahlig.
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In
den Unteransprüchen
sind Teile an möglichen
Ausführungsformen
oder mögliche
Ausführungsformen
beschrieben, die einen vorteilhaften Aufbau mit sich bringen. Nach
Anspruch 2 besteht der Undulator aus supraleitenden Spulen. Nach
Anspruch 3 besteht er aus normalleitenden Spulen.
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Nach
Anspruch 4 sind die beiden gleichen Sektionen des Undulators elektrisch
in Reihe miteinander geschaltet und an jeweils eine, unabhängig von
der andern betreibbare Stromversorgung angeschlossene. Die insgesamt
vier Sektionen des planar-helischen
Undulators sind an jeweils eine, unabhängig von den andern betreibbare
Stromversorgung angeschlossen (Anspruch 5).
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Beim
planar-helischen Undulator nach Anspruch 6 hat die Spule der helischen
Sektion weniger Wicklungen als die planare und die helische Sektion umgibt
die planare oder die planare Sektion die helische, wodurch entlang
des Undulators ein linearer Polarisierungsbereich besteht, der im
Bereich der helischen Sektion ein im Allgemeinen elliptischen oder im
Speziellen einen linearen, um 90° verdrehten
Polarisierungsbereich hat.
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Beim
planar-helischen Undulator nach Anspruch 7 hat die Spule der helischen
Sektion mehr Wicklungen als die planare und die helische Sektion umgibt
die planare oder die planare Sektion die helische, wodurch entlang
des Undulators ein elliptischer Polarisierungsbereich besteht, der
im Bereich der planaren Sektion ein im Allgemeinen weiteren elliptischen
oder im Speziellen einen linearen Polarisierungsbereich hat.
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Im
Falle zweier gleich langer Sektionen einer Spule und kreisringförmiger Wicklungskammern
der planaren Sektion sowie jeweils konstanter Wicklungszahl in beiden
Sektionen ist die planare Sektion um die helische Sektion positioniert.
Ebenfalls im Falle gleich langer Sektionen einer Spule ist in mindestens
einer Sektion einer Spule die Windungszahl in den Wicklungskammern
nicht konstant. Sie ändert sich
dann aber über
die Länge
der Sektion zur ihrer Sektionsmitte symmetrisch. Für diesen
Fall kann sich die planare Sektion auch in der helischen Sektion
befinden oder umgekehrt, die planare Sektion umgibt die helische.
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Im
Falle zweier ungleich langer Sektionen ist die Windungszahl in den
Wicklungskammern konstant oder ist in mindestens einer Sektion der
Spule die Windungszahl in den Wicklungskammern nicht konstant, ändert sich
aber über
die Länge
der Sektion zu ihrer Sektionsmitte symmetrisch. Hierbei ist eingeschlossen,
dass die kürzere
Sektion zusammenhängend
ist und damit aus einem Abschnitt im Längsbereich der langen Sektion
besteht. Es können
im Längsbereich
der langen Sektion auch kurze Sektionen aufeinander folgen, dies
aber nur, wenn die lange Sektion im Vergleich zu einer kurzen Sektion
sehr lang ist. Bei nur einer kurzen Sektion sind dann drei Polarisierungsabschnitte,
und zwar zwei gleiche, die durch einen verschiedenen Polarisierungsabschnitt unterbrochen
werden, erzeugbar. Bei mehreren kurzen Sektionen ist die Folge gleicher
Polarisierung entsprechend der Anzahl kurzer Sektionen durch eine
im Allgemeinen andere Polarisierung unterbrochen.
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Das
durch die jeweilige planare Sektion der beiden Spulen des planar-helischen
Undulators entlang und um die Undulator- /Strahlachse erzeugbare Magnetfeld,
das senkrecht zu dieser Achse steht, hat im Verlauf der Undulatorachse
einen periodischen, sinusartigen Verlauf, d. h. zwischen zwei aufeinander folgenden
Wicklungskammern liegt ein Magnetfeldmaximum und am Wicklungskammermittelpunkt
ist das dort davon erzeugte Magnetfeld null, bzw. dieses Magnetfeld
macht dort entlang der Undulatorachse einen Richtungsumkehr. Durch
die jeweilige helische Sektion der beiden Spulen des planar-helischen
Undulators wird entlang und um die Undulator-/Strahlachse ein Magnetfeld
senkrecht zur Strahlachse erzeugt, das einen planaren Anteil des
Magnetfeldes hat und damit, wie oben erläutert, periodisch ist, und einen
dazu und zur Strahlachse weiteren Feldanteil hat, der entlang der
Strahlachse ebenfalls periodisch, jetzt aber cosinusartig verläuft, d.
h. zwischen zwei aufeinander folgenden helischen Wicklungskammern gibt
es einen Nulldurchgang und damit ein Richtungswechsel des durch
die aufeinander folgenden helischen Wicklungskammern erzeugten helischen
Feldanteils. Unter Einbeziehung der jeweiligen planaren Magnetfeldanteile
an der einen und andern Stirn der beiden planeren und helischen
Sektionen des Undulators, die jeweils eine 90°-Polarisierung bewirken, wird ersichtlich,
dass für
eine volle 360°-Polarisierung
die Anzahl an Wicklungskammern der planaren Sektion >= 2 und die Anzahl
der Wicklungskammern der helischen Sektion ebenfalls >= 2 sein muss. Dabei
kann die Anzahl an Wicklungskammern der planaren Sektion aufgrund
des sinusförmigen
Magnetfeldverlaufs geradzahlig oder ungeradzahlig sein, weil in
jedem Fall ein entlang der Strahlachse durch den Undulator fliegendes
elektrisch geladenes Teilchen eine vollständige Kompensation/Neutralisierung
seiner durch das Undulatormagnetfeld erfahrenen Bahnstörungen erfährt.
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Für die Anzahl
an Wicklungskammern der helischen Sektion besteht die Einschränkung, dass sie
wegen des erzeugten cosinusförmigen
Magnetfeldverlaufs immer geradzahlig sein muss. Es müssen sich
nämlich
die Bahnstörungsanteile
durch die beiden helischen Stirnfelder kompensieren/neutralisieren,
d. h. diese beiden Feldanteile müssen
im Gegensatz zum sinusförmigen
Magnetfeldverlauf zueinander entgegen gesetzte Richtung haben, da
die Bahnstörungsanteile
durch den helischen Magnetfeldanteil zwischen Ein- und Ausgang des
planar-helischen Undulators im Gegensatz zu den Bahnstörungen durch
den planaren Feldanteil stets kompensiert/neutralisiert werden,
selbst bei einer ungeradzahligen Anzahl. Zur planar-helischen Magnetfeldsituation
sei hier auf den oben zitierten wissenschaftlichen Bericht FZKA
6997 des Forschungszentrums Karlsruhe GmbH insbesondere auf das
Kapitel 4 hingewiesen, in dem das planar-helische Undulatormagnetfeld
ausführlich
abgehandelt wird.
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Der
planar-helische Undulator ist auf zweierlei Weise darstellbar. Er
entsteht durch Klappen der einen Undulatorspule um 180° um die Strahl-
bzw. Undulatorachse. Damit wird er durch zwei zueinander identische
Spulen mit planarer und helischer Sektion hergestellt. Die andere
Darstellung ist die zur Undulatorachse symmetrische Lage der einen
Spule zur andern. Diese Situation lässt sich aber nicht mehr mit zwei
zueinander identischen Spulen sondern nur noch mit zwei gleichartigen
jedoch nicht baugleichen Spulen realisieren, weil dann die helische
Sektion in der einen Spule spiegelbildlich zur Spulenachse der andern
Spule liegt. Beim Aufbau des planar-helischen Undulators ist auf
die Bestromung der beiden helischen Sektion derart zu achten, dass
die notwendige Magnetfeldaddition zwischen den beiden Spulen zustande
kommt, um einen helischen Magnetfeldanteil des Undulatorfeldes zu
erhalten. Die gespiegelte helische Sektion ist zur Erzeugung des
Magnetfeldes gegenüber
der geklappten helischen Sektion entgegengesetzt vom Strom durchflossen.
Die technisch einfachere Lösung
des planar-helischen Undulator ist der Aufbau aus zwei zueinander
identischen Spulen.
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Die
Positionierung der beiden Spulen des planar-helischen Undulators
zueinander kann ebenfalls auf zweierlei Weise geschehen, nämlich einerseits
die beiden Spulen des Undulators sind mechanisch nicht miteinander
gekoppelt und sind damit einzeln in ihrer Umgebung justiert verankert
(siehe hierzu auch
US 5,079,458 ).
Andrerseits sind beide Spule unter Aufrechterhaltung eines Durchlassbereichs
für den
durchtretenden, elektrisch geladenen Teilchenstrahl bzw. den Elektronenstrahl
auf Maß mechanisch
miteinander gekoppelt, so dass der planar-helische Undulator als Gesamtes bezüglich der
Strahlachsenbahn justiert ist.
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Das
Spulenkörpermaterial
ist dielektrisch und/oder metallisch, wobei ein Spulenkörper je
nach Aufbau aus dem einen oder dem andern oder einer Kombination
aus Spulenkörperteilen
besteht. An dieser Stelle sei wieder auf den wissenschaftlichen
Bericht FZKA 6997, insbesondere 4.4.Technische Umsetzung sowie A.4.
Technische Zeichnungen, hingewiesen, aus denen beispielhaft konstruktive
Details zum Spulenkörper
und zur Bewicklung zu entnehmen sind.
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Der
Wicklungsdraht hat runden, üblicherweise
kreisrunden oder rechteckigen Querschnitt mit vorgegebenem Aspektverhältnis. Im
letzteren Fall kann der Leiter für
die Wicklung in der Wicklungskammer sogar ausgeprägt bandförmig sein.
Der Wicklungsdraht ist elektrisch normal leitend, eventuell auch
nur der Kontakt am Wicklungseingang, Wicklungsausgang und der Wicklungsdrahtverbindung. Eine
andere Leiterart ist ein technischer Supraleiter. Hierbei kommen
nach – als
technischer Supraleiter ein monolithscher Multifilamentleiter oder
ein Seilleiter oder ein Kabelleiter in Betracht (siehe auch CCLRC
Rutherford Appleton Laboratory, „Development of a Superconducting
Helical Undulatpor for a Polarised Positron Source", Workshop an Positron
Sources for the Interantional Linear Collider, Daresbury Laboratory,
11–13
April 2005), wobei der Supraleiter beispielsweise aus NbTi oder
NbXTi oder MgB ist. Auch kann nur der Kontakt am Wicklungseingang,
Wicklungsausgang und der Wicklungsdrahtverbindung supraleitend oder
normal leitend sein. Die Wicklung des Wicklungsdrahtes in einer
Wicklungskammer ist mindestens einlagig und mindestens einleiterig.
Pro Lage einer Wicklung liegt wenigstens ein Leiter. Bei rein bandförmiger Wicklung
(pancake) ist das ohnehin der Fall.
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Für ein ausgeprägtes Undulatormagnetfeld entlang
und um die Strahl-/Undulatorachse liegen der Wicklungseingang, -ausgang,
die Wicklungsdrahtverbindung, die Unterquerung am Boden der Wicklungskammer
und die Überquerung
der Wicklung in einer Wicklungskammer in dem der Undulatorachse
abgewandten Bereich, d. h. die durch die Unter- und Überführung des
Wicklungsdrahtes/-bandes beeinflusste Ausbildung des Magnetfelds
dort hat keinen Einfluss auf das Undulatormagnetfeld.
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Die
beiden planaren Sektionen sind im Betrieb vom gleichen Strom I2 durchflossen und die Stromrichtung in den
bezüglich
der Undulatorachse einander gegenüberliegenden planaren Wicklungen beim
Durchdringen der Achsenebene ist gleich. Das wird an besten durch
eine elektrisch entsprechende Hintereinanderschaltung der beiden
planaren Sektionen erreicht. Entsprechend sind die beiden helischen Sektionen
im Betrieb vom gleichen Strom I1 durchflossen
und die Stromrichtung in den bezüglich
der Undulatorachse einander gegenüberliegenden helischen Wicklungen
beim Durchdringen der Achsenebene ist gleich. Bei einer modifizierten
Variante sind die beiden helischen Sektionen im Betrieb vom gleichen
Strom I1 durchflossen, und die Stromrichtung
in den bezüglich
der Undulatorachse einander gegenüberliegenden helischen Wicklungen
ist beim Durchdringen der Achsenebene entgegengesetzt.
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Wenn
eine der beiden Spulen durch Klappung der andern um 180° um die Undulator-/Strahlachse
darstellbar ist und der planar- helischen
Undulator derart konstruiert ist, wird über die Einstellung der beiden
Sektionsströme
I1 und I2 eine von
der jeweiligen Sektionslänge
abhängige,
im Allgemeinen elliptische Polarisierung der vom Undulator emittierten
Photonenstrahlung erreicht, wobei die elliptische Polarisierung
durch Stromeinstellung zirkular, bzw. zur einer linearen Polarisierung
entartet werden kann. Hat der planar-helisch Undulator einen Bereich bzw.
Bereiche mit nur planaren Sektionen, also dort ein rein planarer
Undulator ist, wird dort ein Photonenstrahl mit nur linearer Polarisierung
erzeugt. Umgekehrt: einen Bereich oder Bereiche mit nur helischer
Sektion erzeugt oder erzeugen einen Photonenstrahl mit im Allgemeinen
elliptischer Polarisierung.
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Wenn
eine der beiden Spulen durch Spiegelung der andern an der Ebene
durch die Undulator-/Strahlachse (siehe hierzu auch
US 5,079,458 A ), die senkrecht
zur Achsenebene ist, darstellbar ist und damit zumindest abschnittsweise
ein planar-helischer Undulator ist, wird abhängig von der Stromrichtung
durch die jeweilige helische Sektion entweder eine lineare Polarisierung
der vom Undulator emittierten Photonenstrahlung oder eine im Allgemeinen elliptische
Polarisierung der vom Undulator emittierten Photonenstrahlung erzeugt.
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Die
sektionsabhängige
Polarisierung ist in dem oben zitierten wissenschaftlichen Bericht
FZKA 6997 für
die Situation gleicher Sektionslängen,
innen liegender Planarsektion mit kreisrunden Wicklungskammern und
jeweils konstanter Windungszahl in den Wicklungskammern der beiden
Sektionen ausführlich
beschrieben und damit auf die Abschnitte des planar-helischen Undulators
mit beiden Sektionen direkt übertragbar.
Abschnitte des planar-helischen Undulators mit nur den beiden planaren
Sektionen erzeugen dort Licht mit nur linearer Polarisierung. Umgekehrt:
Abschnitte des planar-helischen Undulators mit nur den beiden helischen
Sektionen erzeugen dort Licht mit im Allgemeinen elliptischer Polarisierung.
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Im
Gegensatz zum Stande der Technik kann mit diesem planar-helischen Undulator
ein Lichtstrahl erzeugt werden, der abhängig von den Sektionslängen und
den Sektionsströmen
unterschiedliche Polarisierung aufweist, bei gleichen Sektionslängen natürlich nur
elliptische Polarisierung im Allgemeinen wie schon im Stande der
Technik beschriebenen Fall. Die ungestörte Divergenz des Lichtstrahls
aus dem Undulator begrenzt die Undulatorlänge insgesamt.
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Die
Erfindung des planar-helischen Undulators mit gleichen oder unterschiedlichen
Sektionslängen
in den beiden Spulen wird im Folgenden anhand der Zeichnung für den Fall
unterschiedlicher Sektionslängen
erläutert.
Dabei wird insbesondere der Fall der helischen Sektion mit der,
wie erklärt,
notwendigen geradzahligen Anzahl an Wicklungskammern und der beliebig
ganzzahligen Anzahl, wenn nur >=
2, beispielsweise ungeradzahligen Anzahl an Wicklungskammern in
der planaren Sektion hervorgehoben. Alle andern möglichen,
beanspruchten Bauformen des planar-helischen Undulators lassen sich
daraus ersehen. Es werden folgende Figuren vorgestellt:
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1 planar-helische
Spule mit teilweise umgebender helischer Sektion;
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2 durch
Klappung entstandener planar-helischer Undulator;
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3 durch
Spiegelung entstandener planar-helischer Undulator;
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4 planar-helische
Spule mit teilweise umgebender planarer Sektion;
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5 durch
Klappung entstandener planar-helischer Undulator;
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6 planar-helische
Spule mit überlappend
umgebender planarer Sektion;
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7 durch
Klappung entstandener planar-helischer Undulator;
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8 planar-helischer
Undulator Spule mit überlappend
umgebender helischer Sektion;
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9 durch
Klappung entstandener planar-helischer Undulator;
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Vor
der Figurenbeschreibung wird noch mal auf den wissenschaftlichen
Bericht FZKA 6997 des Forschungszentrums Karlsruhe GmbH hingewiesen. Darin
insbesondere auf den Abschnitt 4.4 Technische Umsetzung und A.4.
Technische Zeichnungen, Seiten 45 und 46. Aus diesen geht die Wickeltechnik
mit Über-
und Unterführung
des Wicklungsdrahtes (Abb. 4.9, der elektrischen Hintereinanderschaltung
der bewickelten Wicklungskammer und der Antiparallelität der Magnetfeldachsen
der Magnetfelder aufeinander folgender, bewickelter Wicklungskammern
der jeweiligen Sektion einer Spule. Die Gestalt eines planaren und
eines helischen Spulenkörpers
geht aus den Abb. 4.10 und Abb. 4.11 sowie den Seiten 45 und 46 hervor.
Diese technischen Ausführungen
sind beispielhaft und unmittelbar übertragbar auf die hier dargestellten
planar-helischen Spulen und der daraus zusammenstellbaren planar-helischen
Undulatoren, wobei jetzt die Spulenkörper nicht mehr dargestellt werden,
sondern nur noch die aus der planaren und helischen Sektion gebildete
planar-helische Spule und schließlich die daraus gebildete
Zusammenstellung zum planar-helischen Undulator. Auch ist die Anschluss-
und Verbindungstechnik daraus unmittelbar übernommen. Die beiden planaren
Sektionen im planar-helischen Undulator liegen bei den beiden identischen
planar-helischen Spulen und bei bezüglich der Undulatorachse zueinander
spiegelsymmetrischen planar-helischen Spulen elektrisch ebenfalls in
Reihe zueinander und sind an eine steuer- und regelbaren Stromversorgung
angeschlossen, ebenso die beiden helischen Sektionen, so dass die
beiden erzeugbaren Magnetfeldanteile entlang und um die Undulator-/Strahlachse
unabhängig
von einander einstellbar sind. Dadurch ist Magnetfeldaddition und -subtraktion
und Umkehr der Magnetfeldrichtung für das Undulatormagnetfeld bei
ortsfesten Undulatorspulen nur über
die Stromeinstellung beliebig einstellbar. Die beiden einmal zum
planar-helischen Undulator mechanisch justierten Spulen bleiben
zueinander in dieser justierten Position. Im Folgenden wird auf
die Herstellung des supraleitenden planar-helischen Undulators in
verschiedenen Bauvarianten eingegangen, aus denen sofort ohne weiteres
weitere Bauvarianten entwickelt werden können.
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1 stellt
die planar-helische Spule dar, bei der die helische Sektion die
planare umgibt. Die planare Sektion besteht aus 11, also ungeradzahlig,
axial aneinander gereihten kreisringförmigen Wicklungen, die innerhalb
ihres Längsbereichs
nicht axialmittig von der helischen Sektion aus 4 axial aneinander gereihten,
elliptisch ringförmigen
Wicklungen umgeben ist. Die planare Sektion ist länger als
die umgebend helische, beide sind damit nicht längenidentisch. Axial haben
die Wicklungen beider Sektionen den gleichen Wicklungsabstand und
der helische Wicklungsbereich bzw. die beiden helischen Wicklungsbereiche
mit dem größten Krümmungsradius kommt,
bzw. kommen dem Wicklungsbereich der zugeordneten planaren Wicklung
am nächsten.
Es bestehen hier lediglich 4 planar-helische Wicklungskammer- bzw.
Wicklungspaare bei der Spule.
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2 zeigt
den aus zwei identischen Spulen gemäß
1 zusammengestellten
planar-helischen Undulator, also Klappung der einen Spule 180° um die Undulatorachse
erzeugt die andere Spule. Beide Spulen mit ihrer jeweils nicht längenidentischen
planaren und helischen Sektion sind baugleich.
3 zeigt
den aus zwei bezüglich
der Undulatorachse zueinander spiegelsymmetrischen Spulen zusammengestellten
planar-helischen Undulator. Beide Spulen mit ihrer jeweils nicht
längenidentischen
planaren und helischen Sektion sind nicht mehr baugleich. Die entlang
der Undulatorachse fliegenden elektrisch geladenen Teilchen, Elektronen üblicherweise,
emittieren im um und entlang der Undulatorachse vorhandenen Magnetfeldmagnetfeld
Licht, einfarbiges, bzw. schmalbandiges Röntgenlicht, das Undulatorlicht,
in Teilchenbahnrichtung mit abschnittsweise unterschiedlicher Polarisierung,
und zwar, treten die Elektronen von im Bild links in den Undulator
ein, zunächst
eine rein lineare Polarisierung in dem zuerst durchfliegenden, frei
stehenden planaren Abschnitt, dann eine im Allgemeinen elliptische
Polarisierung in dem zusammenfallenden planar-helischen Abschnitt und
schließlich
wieder eine rein lineare Polarisierung in dem planaren Abschnitt
rechts im Bild. Es wird also Undulatorlicht mit abschnittsweise
unterschiedlicher Polarisierung erzeugt. Die Polarisierungsabschnitte werden
von der Geschwindigkeit/Energie (siehe beispielsweise die Gleichungen
2.11 bis 2.13 in dem wissenschaftlichen Bericht FZK 6997) der durchfliegenden
Elektronen und der Länge
der frei liegenden planeren Sektionen und der Länge der tatsächlich planar-helischen Sektion,
d. h. der Ausbildung des zur Undulatorachse und im Bereich derselben
senkrechten Magnetfelds bestimmt/festgelegt. (
2 in der
DE 103 58 225 B3 zeigt
den planar-helischen Undulator mit zwei identischen Spulen, bei
denen die planare und helische Sektion gleiche Anzahl an Wicklungskammern
und auch Wicklungen haben und die planare Sektion von der helischen
deckungsgleich umgeben ist. Die planare und helische Sektion sind
dort längenidentisch.)
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3 stellt
die planar-helische Spule dar, bei der die helische Sektion ebenfalls
die planare umgibt. Die planare Sektion besteht aus 7 axial aneinander gereihten
kreisringförmigen
Wicklungen, die innerhalb ihres Längsbereichs nicht axialmittig
von der helischen Sektion aus 10 axial aneinander gereihten, elliptisch
ringförmigen
Wicklungen umgeben ist. Die planare Sektion ist hier kürzer als
die umgebend helische, beide sind damit ebenfalls nicht längenidentisch.
Axial haben die Wicklungen beider Sektionen auch den gleichen Wicklungsabstand
und der helische Wicklungsbereich bzw. die beiden helischen Wicklungsbereiche
mit dem größten Krümmungsradius
kommt, bzw. kommen dem Wicklungsbereich der zugeordneten planaren
Wicklung am nächsten. Es
bestehen hier allerdings 7 planar-helische Wicklungskammer- bzw. Wicklungspaare
bei der Spule. Die helische Sektion der Spule überragt hier die planare beidseitig.
Der planar-helische Undulator kommt in beschriebener Weise durch
Klappung um 180° um
die Undulatorachse zustande und besteht damit aus zwei baugleichen
Spulen (5), oder durch Spiegelung der
einen Spule an der Undulatorachse und besteht damit aus zwei sektionsgleichen
jedoch nicht baugleichen Spulen. Letzteres ist nicht mehr dargestellt,
kann aber ent sprechend aus 3 ersehen
werden. In diesem Undulator wird durch die durchfliegenden elektrischen
Ladungsträger/Elektonen
ein Lichtstrahl tangential zur Elektronenstrahlachse erzeugt, der
in Folge Abschnitte mit elliptischer, dann elliptischer oder linearer
und dann elliptischer Polarisierung auftritt. Die elliptische Polarisierung
kann speziell auch zirkular sein.
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6 stellt
die planar-helische Spule dar, bei der die helische Sektion von
der planaren umgeben ist. Die planare Sektion besteht hier aus 7
axial aneinander gereihten elliptisch ringförmigen Wicklungen bzw. aus
Wicklungskammern mit elliptischem Wicklungsgrund, die nicht axialmittig
innerhalb des Längsbereichs
die helische Sektion aus hier 10 axial aneinander gereihten, ebenfalls
elliptisch ringförmigen Wicklungen
liegt. Die planare Sektion ist kürzer
als die innen liegend helische. Auch hier sind beide Sektionen der
Spule nicht längenidentisch.
Axial haben die Wicklungen beider Sektionen den gleichen Wicklungsabstand,
und der helische Wicklungsbereich bzw. die beiden helischen Wicklungsbereiche
mit dem größten Krümmungsradius
kommt, bzw. kommen dem Wicklungsbereich der zugeordneten planaren
Wicklung mit dem ebenfalls größten Krümmungsradius
am nächsten.
Es bestehen hier 7 planar-helsiche Wicklungskammer- bzw. Wicklungspaare
bei der Spule. Der daraus gebildete planar-helsiche Undulator gemäß 7 kommt
auch hier in den beiden oben beschriebenen Weisen durch zwei baugleiche (Klappung
um 180°)
Spulen zustande. (Die ebenfalls mögliche Erzeugung des Undulators
durch Spiegelung wird für
diesen Fall nicht mehr dargestellt.) In diesem Undulator wird durch
die durchfliegenden elektrischen Ladungsträger/Elektronen ein Lichtstrahl
tangential zur Elektronenstrahlachse erzeugt, der in Folge Abschnitte
mit elliptischer, dann elliptischer oder linearer und dann elliptischer
Polarisierung auftritt. Die elliptische Polarisierung kann wiederum
speziell auch zirkular sein.
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8 schließlich stellt
die planar-helische Spule dar, bei der die helische Sektion von
der planaren umgeben ist. Jetzt besteht die planare Sektion aus
9 axial aneinander gereihten elliptischen oder kreisringförmigen Wicklungen
bzw. aus Wicklungskammern mit elliptischem Wicklungsgrund, die nicht axialmittig
den Längsbereich
der helischen Sektion aus 4 axial aneinander gereihten, ebenfalls
elliptisch ringförmigen
Wicklungen beidseitig axial überlappen. Die
planare Sektion ist länger
als die innen liegend helische. Beide Sektionen der Spule sind nicht
längenidentisch.
Axial haben die Wicklungen beider Sektionen den gleichen Wicklungsabstand,
und der helische Wicklungsbereich bzw. die beiden helischen Wicklungsbereiche
mit dem größten Krümmungsradius
kommt, bzw. kommen dem Wicklungsbereich der zugeordneten planaren
Wicklung mit dem ebenfalls größten Krümmungsradius
am nächsten.
Es bestehen hier wiederum 4 planar-helische Wicklungskammer- bzw.
Wicklungspaare bei der Spule. Der planar-helische Undulator kommt
auch hier in den beiden oben beschriebenen Weisen durch zwei baugleiche
oder zwei bauverschiedene Spulen zustande. Dargestellt in 9 ist
nur die Erzeugung des Undulators durch 180°-Klappung. In diesem Undulator wird durch
die durchfliegenden elektrischen Ladungsträger/Elektronen ein Lichtstrahl
tangential zur Elektronenstrahlachse erzeugt, der in Folge Abschnitte
mit linearer, dann einstellbar elliptischer oder linearer und dann
planarer Polarisierung auftritt. Die einstellbar elliptische Polarisierung
kann speziell auch zirkular sein.
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Mit
einem bezüglich
der baulichen Periodenlänge λb,
sehr langen Spule kann ein planar-helischer Undulator gebaut werden,
einen Lichtstrahl mit mehr als 2 Abschnitten reiner linearer oder
reiner elliptischer Polarisierung, abhängig von der Spulenbauweise,
zu erzeugen. Siehe oben Kommentar zu mehreren, axial aufeinander
folgenden kleinen Sektionen im Längenbereich
einer sehr langen Sektion. Im Längenbereich
der sehr langen planaren Sektion beispielsweise befänden sich
dann mehr als zwei helische Sektionen oder umgekehrt, eigentlich
eine axiale Folge von mehr als zwei planar-helische Undulatoren – eine technisch
aufwendige Einrichtung. Eine natürliche
Beschränkung
der gesamten Undulatorlänge
liegt in der Divergenz des in ihm, insbesondere im Anfangsbereich
erzeugten Lichtstrahls.