DE10358225B3

DE10358225B3 - Undulator und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE10358225B3
Application number: DE10358225A
Authority: DE
Inventors: Robert Rossmanith; Uwe Schindler
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-12-13
Also published as: JP4445973B2; US7129807B2; JP2007514285A; EP1692923B1; WO2005060322A3; DE502004003647D1; ATE360976T1; WO2005060322A2; EP1692923A2; DK1692923T3; US20060158288A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Undulator zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung aus einem in diesen eingebrachten Teilchenstrom, der mindestens zwei Teil-Undulatoren umfasst, wobei jeder Teil-Indulator 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 Teil-Undulatoren derart angeordnet ist, dass die von den Teil-Undulatoren erzeugten Undulatorfelder nicht parallel zueinander stehen. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Undulator eignet sich zur Einstellung und Änderung der Polarisationsrichtung der Synchrotronstrahlung ohne mechanische Bewegung. Insbesondere kann damit die Polarisationsrichtung der Synchrotronstrahlung von linear auf zirkular und die Richtung der Helizität umgeschaltet werden.

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 wich 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.

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 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

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
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 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), dem in 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 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 Ausführungsbei- spiels mit Hilfe der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
1: prinzipielle Anordnung eines erfindungsgemäßen Undulators,
2 Schnitte durch einen erfindungsgemäßen Undulator.
Für die WERA Beamline der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA, Karlsruhe, wird ein erfindungsgemäßer Undulator mit folgenden Dimensionen aufgebaut:
2 zeigt zwei Schnitte durch einen Ausschnitt dieses Undulators, wobei jeweils 12 der 40 Perioden abgebildet sind.
Er besteht aus den beiden Teil und 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 B_z und B_x die Beträge der Undulatorfelder in z- bzw. x-Richtung. Die Periodenlänge beträgt 50 mm.

Claims

Undulator zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung aus einem in diesen eingebrachten Teilchenstrom, umfassend mindestens zwei Teil-Undulatoren, wobei – jeder Teil-Undulator 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 Teil-Undulatoren derart angeordnet ist, dass die von den Teil-Undulatoren erzeugten Undulatorfelder nicht parallel zueinander stehen.
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.
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.
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.
Undulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Winkel ein Wert zwischen 30° und 60° ausgewählt wird.
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, das senkrecht zur Richtung des ersten Stroms steht, – Beaufschlagen einer zweiten Anordnung aus supraleitendem Material eines zweiten Teil-Undulators mit einem zweiten Strom, wodurch ein zweites Undulatorfeld erzeugt wird, das senkrecht zur Richtung des zweiten Stroms, jedoch nicht parallel zur Richtung des ersten Undulatorfelds steht, wobei 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.
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.