DE3148100A1

DE3148100A1 - "synchrotron-roentgenstrahlungsquelle"

Info

Publication number: DE3148100A1
Application number: DE19813148100
Authority: DE
Inventors: Uwe Hanno Dr. 8050 Freising Trinks
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-12-04
Filing date: 1981-12-04
Publication date: 1983-06-09

Description

Synchrotron-Röntgenstrahlungsguelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchrotron-Röntgenstrahlungsquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für viele industrielle und wissenschaftliche Zwecke wird scharf gebündelte Röntgenstrahlung hoher IntensitE. benötigt. Wichtige industrielle Anwendungsgebiete sind z.B. die Röntgenlithographie und die Röntgenmikroskople. Hier werden Intensitäten in der Größenordnung von 104W/srad mit Wellenlängen in der Größenordnung von 1 Nanometer benötigt.
Es ist bekannt, daß ein in einem Magnetfeld auf einer Kreisbahn umlaufendes Elektron elektromagnetische Strahlung (Synchrotronstrahlung oder magnetische Bremsstrahlung) abstrahlt.
Mit den in jüngerer Zeit gebauten Elektronenkreisbeschleunigern und Speicherringen stehen daher Synchrotronstrahlungsquellen zur Verfügung, die eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Strahlungsquellen für kurzwellige Strahlung haben.
Die Strahlung solcher Synchrotronstrahlungsquellen hat ein quasi-kontinuierliches Spektrum, das bis tief in das Röntgengebiet hineinreicht. Die Strahlung ist polarisiert und in Vorwärtsrichtung der Elektronen stark gebündelt, sie kann entsprechend der Bunch- oder Paketstruktur der umlaufenden Elektronenwolken eine Zeitstruktur im SubnanoSekútdenbereich haben und sie ist berechenbar. Die Intensität kann im Röntgenbereich um mehrere Zehnerpotenzen größer sein als der kontinuierliche Teil des Spektrums der besten derzeitigen Röntgenröhren oder anderer Röntgenstrahlungsquellen.
Die im Bau befindlichen oder bereits gebauten bekannten Maschinen zur Erzeugung intensiver Synchrotronstrahlung mit Wellenlängen in der Größenordnung von einem Nanometer und darunter enthalten im allgemeinen einen Elektronen-Speicherring, in dem die von einer Injektoranordnung gelieferten Elektronen kreisen. Die Injektoranordnung enthält gewöhnlich eine Elektronenquelle, welche Elektronen relativ niedriger Energie liefert, und einen zwischen die Elektronenquelle und den Speicherring geschalteten BeschEuniger in Form eines sogenannten Booster-Synchrotrons, in dem die Elektronen von der relativ niedrigen Energie der Elektronenquelle auf die endgültige Energie im Speicherring beschleunigt werden. Die erforderlichen hohen Elektronenströme im Speicherring können nur erreicht-werden, indem die relativ kleinen Ströme aus der Injektoranordnung zu wiederholten Malen'in den Speicherring eingespeist werden.
Das Magnetfeld für den Speicherring wurde bisher ausschließlich durch normalleitende Magnetsysteme erzeugt, was die Anwendung des bekannten Prinzips der starken Fokussierung und damit relativ große mittlere Radien (ca 1Om)- der Speicherringe und Beschleunigerzwingend zur Folge hat. Typische Beispiele für solche bekannte Anlagen befinden sich in Berlin (BESSY), Brookhaven (V.St.A.), Okazaki (Japan) und Orsay (Frankreich). Diese bekannten Maschinen sind aufgrund ihrer Komplexität sehr teuer und erfordern wegen ihrer Größe aufwendige Baumaßnahmen. Sie sind daher für die industrielle Nutzung der Synchrotronstrahlung ungeeignet und auch für viele wissenschaftliche Zwecke zu teuer und platzraubend.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Synchrotronstrahlungsquelle für die Erzeugung hochintensiver Röntgenstrahlung anzugeben, bei der der apparative Aufwand und Platzbedarf wesentlich kleiner sind als bei den bekannten vergleichbaren Maschinen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Synchrotron-Röntgenstrahlungsquelle gelöst.
Die Synchrotron-Röntgenstrahlungsquelle gemäß der Erfindung zeichnet sich durch relativ niedrige Anschaffungs-und Betriebskosten aus, so daß sie hinsichtlich ihrer Verwendung nicht auf Großforschungseinrichtungen beschränkt ist, sondern auch von Universitäten und größeren Firmen eingesetzt werden kann.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Röntgenlithographie, insbesondere Röntgen-Mikrolithographie zur Herstellung integrierter Schaltkreise, sowie die Röntgen-Mikroskopie.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein schematischer Grundriß der Einrichtungen einer Synchrotron-Röntgenstrahlungsquelle gemäß der Erfindung: Fig. 1a den Feldverlauf um rO, Fig. 2 einen vereinfachten Axialschnitt des Speicherringes; Fig. 3 einen Querschnitt des rechten oberen Quadranten des Magnetsystems; Fig. 4a und 4b graphische Darstellungen des radialen Feldverlaufes, der durch kreisförmige Stromfadenpaare mit verschiedenen Radien bzw. verschiedenen Abständen von einer Sollkreisebene erzeugt wird; Fig. 5 den radialen Feldverlauf in der Mittelebene des Magnetsystems des Speicherringes für E = 430 MeV; Fig. 6a und 6b einen Längs- bzw. Querschnitt eines geraden A/4-Resonators; Fig. 7a eine schematische, teilweise aufgebrochene Darstellung eines Doppelresonators für den Speicherring; Fig. 7b die Spannungs- und Stromverteilung im Resonator gem.
Figur 7a; Fig. 8 eine Schnittansicht eines Teiles der Vakuumkammer; Fig. 9 eine schematische Darstellung der Geometrie des Inj ektionspfades; Fig. 10 den radialen Feldverlauf für E = 8 MeV; In Figur 1 ist beispielsweise der Grundriß einer Halle dargestellt, die eine Synchrotronstrahlungsquelle gemäß der Erfindung enthält.
Die wesentlichen Bestandteile der dargestellte Synchrotronstrahlungsquelle sind ein als Injektor dienender Linearbeschleuniger IJ und ein Elektronspeicherring R.
Netzgeräte, Hochfrequenzgeneratoren usw. sind nicht dargestellt, sie können sich in einem Kellerraum unter der'Maschine befinden.
Es sind ferner dargestellt: Ein Tank He für flüssiges Helium zur Versorgung der supraleitenden Spulen und Kryopumpen, ein Kontrollraum K, eine Betonabschirmung A, Strahirohren für die Auskopplung und Nutzbarmachung des Synchrotronstrahlung und ein Kompressorhäuschen G für die Wiedergewinnung des verdampften lleliums.
In folgenden soll ein spezielles, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
Allgemeines Die im folgenden beschriebene Synchrotronstrahlungsquelle ist speziell den Anforderungen der Röntgenmikrolithographie angepaßt. Die kritische Wellenlänge des abgestrahlten Spektrums soll daher etwa 2 Nanometer betragen. Unter der kritischen Wellenlänge Ä versteht man bekanntlich c die Wellenlänge, die die spektrale Leistungsverteilung halbiert.
Um den Raumbedarf und die Anlagekosten klein zu halten, wird bei der vorliegenden Synchrotron-Röntgenstrahlungsquelle ein kleiner Speicherring mit supraleitenden Magnetspulen verwendet. Der Radius rO der Sollkreisbahn der im Speicherring umlaufenden Elektronen ist vorzugsweise kleiner als 40 cm, insbesondere kleiner als 30 cm. Als besonders vorteilhafter Wert hat sich ein Sollkreisbahnradius von 28,7 an ergeben.
Das Führungsfeld Bo für die Elektronen, deren Impuls p0 bei der Endenergie etwa 430 MeV/c (c = Lichtgeschwindigkeit) beträgt, hat dann einen Wert von etwa 5 Tesla und wird durch ein einziges, einfaches, schwach fokussierendes Ringmagnetsystem erzeugt. Das Magnetsystem enthäIt einen einfachen topfförmigen Magnetkern und supraleitende Ringspulen.
Der Speicherring wird außerdem dazu verwendet, um die mit verhältnismäßig niedriger Energie, z.B. etwa-8 MeV, injizierten Elektronen auf die Endenergie zu beschleunigen.
Das bei den bekannten Maschinelerforderliche Booster-Synchrotron kann daher entfallen.
Als Elektronenquelle und Injektor wird ein einfacher Bescnleuniger, der kurze Elektronenpulse hoher Stromstärke bei kleiner Energieunschärfe zu liefern vermag, verwendet. Bevorzugt wird ein Linearbe- schleuniger. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel liefert dieser Linearbeschleuniger 20 Nanosekunden lange Elektronenpulse von 2 Ampere mit einer Energie von etwa 8 MeV bei einer Energieunschärfe von AE/E < 2 %.
W&hrend der Injektion ist das Feld im Speicherring abgesenkt, z*B, auf etwa 9,3 x 10 2T (930 Gauß). Bei den oben angegebenen bevorzugten Parametern beträgt die Umlaufzeit der Elektronen im Speicherring 6 ns, so daß ein einziger Elektronenpuls vom Linearbeschleuniger für eine Füllung des Speicherringes mit einigen 100 mA Strom während dreier umläuft ausreichen wird.
Um Strahlinstabilitäten zu vermeiden, die besonders bei kleinen Energien zu Verlusten führen können, wird das Führungsfeld im Speicherring während der ersten Sekunden der Beschleunigunyspase bis etwa 0,4 T relativ schnell er höht. Die Feldänderung beträgt dabei etwa 0,1 T/s. Die weitere Beschleunigung auf die Endenergie kann dann viel langsamer, z.B. innerhalb einiger Minuten, erfolgen. Um Speicherzeiten von mehreren Stunden zu erreichen, sind Maßnahmen vorgesehen, die das Volumen der umlaufenden Elektronenwolken vergrößern und damit die Elektronendichte zu erniedrigen.
Da der Radius des Speicherringes so klein ist, kann das Prinzip der schwachen Fokussierung genutzt werden, was wiederum einen sehr einfachen Aufbau des Magnetsystems ermöglicht. Ein Zwischenbeschleuniger ist überflüssig, weil der gesamte zu speichernde Elektronenstrom während eines einzigen Impulses des Linearbeschleunigers ("Linac") eingeschossen werden kann. Entscheidend dabei ist, daß die Länge der vom Beschleuniger erzeugten Hochstromimpulse groß genug ist, um den Speicherring während weniger, ins- besondere während dreier Umläufe zu füllen.
Durch die Kombination eines Linearbeschleunigers mit einem supraleitenden, schwach fokussierenden Speicherring, der gleichzeitig als Beschleuniger betrieben wirdr ergibt sich also eine Synchrotron-Röntgenstrahlungsquelle hoher Intensität und trotzdem kleinen und einfachen Aufbaues.
Einzelheiten des Ausführungsbeispiels Feldeigenschaften Da der Speicherring in erster Linie als Synchrotron-Strahlungsquelle für die Röntgenmikrolithographie bestimmt ist, wird die kritische Wellenlänge auf zwei Nanometer festgelegt. Die kritische Wellenlänge bestimmt eindeutig die spektrale Verteilung der emittierten Strahlung.
Die kritische Wellenlänge hängt bekanntlich vom Magnetfeld B sowie vom Impuls p bzw. dem Kreisbahnradius r der Elektronen ab. Der Kreisbahnradius ist dem Reziprokwert der Wurzel aus B3 proportional, so daß er mit zunehmender Feldstärke stark abnimmt.
Für den Speicherring der vorliegenden Synchrotron-Strahlungsquelle wird ein Führungsfeld B = 5 T gewählt, was bei einem Elektronenimpuls p = 430 MeV/c einen Ablenk-oder Sollkreisradius rO der Elektronenbahnen-von 28,7 cm ergibt.
Für einen Speicherring mit einem Ablenkradius von nur 28,7 cm ist die sogenannte schwache Fokussierung ausreichend. Von einer schwachen Fokussierung spricht man, wenn der Feldindex n kleiner als 1 ist. Der Feldindex beschreibt den radialen Feldabfall am Ort des Sollkreises, dessen Radius mit r0 bezeichnet wird: Ein besonderer Vorteil der schwachen Fokussierung besteht darin, daß sie mit einem besonders einfachen Magnetsystem erreicht werden kann.
Mit dem Feldindex n kann die radiale Entwicklung des Feldes um den Sollkreis mit dem Radius rO: in linearer Näherung geschrieben werden: B = Bo (1 - n r ) (3) 0 Wird n innerhalb der Grenze 0 < n < 0,75 (4) gewählt, so kann das Magnetsystem, das die Elektronen auf einer Kreisbahn ablenkt, zugleich noch folgende Aufgaben erfüllen: 1) Radiale Fokussierung mit Schwingungszahlen Qr pro Umlauf für die Betatronschwingungen um den Sollkreis von 2) Vertikale Fokussierung mit Schwingungszahlen Qy pro Umlauf für die Betatronschwingungen um die Sollkreisebene von Qy = #n (6) 3) Gleichzeitige Dämpfung der transversalen Betatron- und longitudinalen Synchrotronschwingungen mit den Zeitkonstanten #y = #0 (7) 1-n #r = #0 (8) n 1-n #s = #0 (9) 3-4n E 3 r0² mit #0 = 2 . = . (10) -E rec #³ und re = e²/(4##0m0c²) = 2,818.10-13 (11) wobei E die Teilchenenergie und É die zeitliche Abnahme der Energie durch Abstrahlung ist.
4) Durch geeignete Formgebung des radialen Feldabfalles Kann ein quadratischer Term in der Feldentwicklung Gl. (2) erzeugt werden, der so gewählt werden kann, daß die Zahl der vertikalen Betatronschwingungen pro Zeiteinheit Qy/T mit T = Umlaufzeit unabhängig von der Energie der Elektronen wird Chromatizitätskorrektur).
Dies dient der Beherrschung von Strahlinstabilitäten bei hohen Strahlströmen (Head-Tail-Turbulenz) 5) Schließlich kann ein Oktupol-Term eingeführt werden, der erstens die Betatronfrequenzen amplitudenabhängig macht und zweitens eine Kopplung der vertikalen und horizontalen Betatronschwingungen bewirkt. Dies ist ebenfalls für die Bekämpfung von Instabilitäten nützlich (Landaudämpfung).
Bei der schwachen Fokussierung können also anders als bei der starken Fokussierung allein durch geeignete Formgebung des radialen Feldabfalles alle wichtigen Aufgaben von einem einzigen magnetischen Element zugleich erfüllt werden, so daß der ganze Speicherring als ein einziger Ringmagnet gebaut werden kann, der rotationssymmetrisch bezüglich der zentralen Achse und spiegelsymmetrisch bezüglich der Sollkreisebene ist.
Die folgenden Feldparameter haben sich als geeignet erwiesen: B(r0> = 5 T #B/#r(r0) = - 9 T/m (12) #²B/#r²(r0) 0 -15 T/m² n = 0,525 Der zulässige Bereich ist 0,5< n< 0,556 . Gegebenenfalls wird noch der folgende Oktupolterm verwendet: #³B/#r³(r0) | = 600 T/m3 (12a) Die Erzeugung des Feldes An das Magnetsystem werden folgende Forderungen gestellt: 1) Das Magnetfeld soll in dem Bereich (rO-3cm)< r <(rO+3cm) (13) durch die oben abgeleiteten Momente am Sollkreisradius beschrieben werden: B(r0) = 5 T, #B/#r(r0)= -9T/m, #²B/#r²(r0)=-15T/m² (12) Zusätzlich ist eventuell der Oktupolterm B''' 600 T/m3 wünschenswert.
2) Abweichungen der Feldterme von den Sollwerten sind nur insoweit erlaubt, als die daraus resultierenden Verschiebungen der Betatronschwingungszahlen tolerierbar sind.
3) Die Feldform muß zwischen Feldern von eta 9 10 10 T (900 Gauß) am Sollkreis (bei einer Einschußenergie von 8 MeV) bis zum maximalen Wert von 5 T konstant bleiben.
Dies ist wegen der Sättigungserscheinungen im Eisenjoch nicht trivial.
4. Die Spulen sind so zu wickeln, daß möglichst keine azimutalen Feldstörungen auftreten. Insbesondere sind solche Feldfehler zu vermeiden, deren Harmonischen-Zahlen der Fourierkomponenten K = 2 oder 3 betragen.
5. Die maximalen Felder an den Spulen und-die maximalen Stromdichten in den Spulen müssen möglichst weit unterhalb der für den Supraleiter kritischen Werte liegen.
6. Die im Magnetfeld gespeicherte Energie soll möglichst gering sein, damit aufwenige Quenchschutzmaßnahmen vermieden werden können und die Induktivität des Magneten nicht zu hoch ist.
7. Die Gesamtamperewindunyszahl sollte aus Kostengründen möglichst klein sein.
Das Magnetsystem soll rotationssymmetrisch bezüglich der vertikalen y-Achse und spiegelsymmetrisch bezüglich der Sollkreisebene sein.
Diese Bedingungen werden durch das in Fig. 2 vereinfacht dargestellte Magnetsystem erfüllt, welches ein ringförmiges Eisenjoch 12 mit axial vorspringenden Eisenpolschuhen 12a, 12b und ein supraleitendes Spulensystem 14 enthält.
Das Eisenjoch 12 und die Polschuhe 12a, 12b verstärken das Feld am Sollkreis 16 um etwa 1,6 T. Dadurch werden sowohl die benötigte Amperewindungszahl der Spulen 14 als auch die gespeicherte Feldenergie reduziert.
Das Eisenjoch 12 hat einen Außendurchmesser von 190 cm, eine Höhe von 170 cm und eine Wandstärke von 40 cm. Es führt den Magnetfluß außen zurück, so daß die Umgebung feldfrei bleibt, außerdem dient es als Abschirmung gegen radioaktive Strahlung. Für den Auslaß der Synchrotronstrahlung und für den Elektroneneinschuß sind tangentiale Bohrungen in der Sollkreisebene vorgesehen, die in Fig.2 nicht dargestellt sind. Der Abstand der Stirnflächen der Pol schuhe ist bei der y-Achse etwa 34 cm, also relativ groß, um den Einfluß von Sättigungseffekten im Eisen möglichst gering zu halten.
Da der Feldbeitrag der supraleitenden Spulen gegenüber dem des Eisens dominierend ist, wird die Feldform hier (anders als bei normalleitenden Magneten) ganz wesentlich von Form und Lage der Spulen der Spulenanordnung 14 bestimmt. Die Spulen sind soweit von der Vakuumkammer 18 und dem Eisenjoch 12 entfernt, daß genügen Platz für Kühlschilde, mechanische Abstützvorrichtungen und dgl. vorhanden sind. Diese Vorrichtungen können in bekannter Weise ausgebildet sein und sind in Fig. 2 nicht dargestellt.
Ein Querschnitt des rechten oberen Quadranten der Spulenanordnung 14 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Spulenanordnung enthält eine Hauptspule 20 und zwei kleinere Korrekturspulen 22 und 24. Nötigenfalls können weitere Korrekturspulen vorgesehen sein. Die Hauptspule 20 besteht aus einem oberen Teil 20a sowie einem unteren Teil 20b.
Um die Erzeugung des magnetischen Führunqsfeldes durchausgedehnte Spulen zu verstehen, ist es nützlich, das Feld von Paaren fadenförmiger, symmetrisch zur Sollkreisebene angeordneter, koaxialer und gleiche Radien aufweisender Ringströme in Abhängigkeit von ihren Radien a und Abständen h von der Sollkreisebene zu betrachten.
Dieser Feldverlauf B (r) kann in bekannter Weise errechnet werden.
In Fig. 4a sind die Feldverläufe B (r) für drei Stromfadenpaare verschiedener Radien a aufgetragen, wobei der Abstand h konstant ist.
In Abbildung 4b sind die Feldverläufe B (r) für drei Stromfadenpaare gleicher Radien jedoch unterschiedlicher Höhen h aufgetragen.
Diese Felder haben folgende Eigenschaften: 1) Die Maxima der Feldverläufe liegen bei einem Radius r(Bmax) = a-h, d.h. die Maxima wandern mit wachsendem Abstand h immer weiter nach innen.
2) Hinter dem Maximum fällt das Feld steil ab. Dieser Bereich ist für die Erzeugung des Quadrupolterms wichtig. Er hat in seinem vorderen Teil negative (B'"- < 0) und dann positive Krümmung (B" c o ).
3) Die einzelnen Beträge sind umso größer, je näher die Leiter an der Sollkreisebene sitzen.
Wegen des nichtlinearen Einflusses des Eisens kann der absolute Beitrag der verschiedenen Spulen nicht isoliert von den der anderen Spulen bestimmt werden.
Deshalb wurden die relativen Beiträge der Spulen der Spulenanordnung 14 gemäß folgender Vorschrift ermittelt B(n) ( r0, j0 + #j) = B(n)(r0,j0) + cn #j (14) dabei bedeuten B(n) - #nB/#rn, j die Stromdichte in der betreffenden Spule und Cn = aB(n)/ aj {r j . Die in der Tabelle angegebenen Werte sind so normiert, daß die Summe aller Ko-effizienten für jede Multipolordnung für sich 1 ergibt.

Die relativen Beiträge der einzelnen Spulen zu den verschiedenen Feldkoeffizienten B(n) für den Fall voller Erregung sind in der folgenden Tabelle angegeben: Tabelle 1. Beiträge der Spulen zu den Feldkoeffizienten

co c1 c2

Hauptspule,

unterer Teil 20b 0,40 -0,67 0,20

Hauptspule,

oberer Teil 20a 0,58 0,59 6,00

Innere Korrek-

turspule 22 0,04 1,40 -4,60

Mittlere Korrek-

turspule 24 -0,02 -0,32 -2,60

Um die Werte der Tabelle qualitativ zu verstehen, ist es sinnvoll, sich die Spulen bzw. die Teilspulen als Stromfäden im Zentrum der betreffenden realen Spule vorzustellen und die obigen Überlegungen zu berücksichtigen. Die beiden Teile der Hauptspule liefern offensichtlich den Hauptanteil zum Feld B, praktisch keinen Feldgradienten, jedoch einen überstarken Sextupolanteil. Dies zeigt, daß das Feld des zugehörigen "Zentrumfadens" beider Spulen am Sollkreisradius sein Maximum hat. In der Tat liegt das Zentrum der Hauptspule etwa genau so hoch über dem Sollkreis wie radial davon entfernt.

Die innere Korrekturspule, die nahezu über dem Sollkreis liegt, liefert kaum einen Feldbeitrag, erzeugt jedoch den benötigten Gradienten und korrigiert den Sextupolanteil der Hauptspulen. Der Feldverlauf des zu dieser Spule gehörigen Zentrumfadens hat am-Sollkreis den Bereich des steilen Abfalles mit positiver Krümmung. Die mittlere Korrekturspule mit umgekehrter Stromrichtung erzeugt Feinkorrekturen. Außerdem ist diese Spule sowie die Unterteilung der Hauptspulen in zwei Bereiche notwendig, um den gewünschten Feldverlauf auch bei niedriger Erregung zu erreichen.
In Fig. 5 ist der radiale Feldverlauf in der Sollkreisebene für die maximale Elektronenenergie von 430 MeV aufgetragen.
Die Parameter der Supraleiterspulen 20, 22 und 24 sind in der folgenden Tabelle aufgeführt: Tabelle 2 Parameter der Supraleiterspulen Radien und Höhenkoordinaten (vergl. Fig. 3) ra = 26 cm y1 = 5 cm r2 = 29 " y2 = 8 r3 = 31 " y3 = 10 " r4 = 33 " y4 = 13 " r5 = 39,5" y5 = 14 " r6 = 44 " y6 = 24 r7 = 49 Spule 20a 20b 22 24 Fläche [cm²] 104,5 62,5 18 4 Itot [AWdgn] 904,10 411,10 154,10 120 Stromdichte j 86,5 65,8 85,6 0,3 [A/mm²] Am Ort r = 26 cm, y = 14 cm der inneren Korrekturspule tritt die höchste Feldstärke B = 6,6 T auf. Die über die ganze Spule gemittelte Stromdichte beträgt 86 A/mm2.
Hierauf ist bei der Wahl des Supraleitermaterials Rücksicht zu nehmen. Geeignet ist z.B. Niob-Titan.
Bezüglich der Toleranzen, die hinsichtlich des magnetischen Führungsfeldes 1 erhalten sind, ist folgendes zu bemerken: Eine Abweichung des Feldes Bo vom Sollwert bewirkt lediglich eine Energieänderung und damit eine Verschiebung des Spektrums der Synchrotronstrahlung.
Der zulässige Fehler von B' ist durch die Verschiebung des Arbeitspunktes im Qr/Qy-Diagramm gegeben, der kleiner als 10 % des maximal zulässigen Bereiches sein sollte, d.h.
| AB' | < B/r #n mit #n < 3.10-3 (15) daraus ergeben sich für den Sollwert B' des Feldgradienten und den maximalen Fehler | AB' des Feldgradienten die folgenden Werte bei der Einschußenergie von 8 MeV und der maximalen oder Endenergie von 430 MeV: (16) E [ MeV j 8 430 B' [ T/cm] -1,71 . 10-3 -9,18 . 10-2 |AB'| [T/cm ] 10-5 5.10-4 Feldgradienten dieser Größenordnung lassen sich mit der erforderlichen Genauigkeit einwandfrei messen, so daß sich die Ströme in den Spulen hinreichend genau einstellen lassen.
Während der ersten Phase der Beschleunigung wird eine Feldänderungsgeschwindigkeit B von mindestens 0,1 T/s benötigt. Solche zeitlich veränderlichen Felder können Wirbelströme induzieren, die Feldstörungen verursachen. Dies ist bei der Konstruktion des Eisenjoches, der Spulenkörper, der Vakuumkammer, von Beschleunigungselektroden und Resonatoren in der Vakuumkammer und anderer sich im Bereich des Magnetfeldes befindender elektrisch leitender Bauteile in bekannter Weise zu berücksichtigen, z.B. durch Unterteilung und/oder Wahl geeigneter Werkstoffe mit hohem spezifischem Widerstand.
Da der Wert von B nicht sehr groß ist, kann die Unterteilung z.B. des Eisenkernes, relativ grob sein.
Die Fehler, die durch eine Parallelversetzung der Achsen der oberen und unteren Spule eines Spulenpaares oder durch einen Winkel zwischen den Spulenachsen verursacht werden, sind relativ klein und im allgemeinen vernach-Iässigbar. Die beiden Teile der Hauptspulen sollten jedoch möglichst genau kreisförmig sein, da eine elliptische Deformation der Hauptspulenteile eine vergleichsweise große Fehlerquelle darstellt.
Die Form der Stirnflächen 12c (Fig. 3) der Polschuhe des Eisenkernes ist nicht sehr kritisch. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hatten die Polschuhe eine Mittelbohrung 30 mit einem Radius von 5 cm.
Anschließend verläuft die Stirnfläche 12c bis zu einem Radius r1 = 18 cm senkrecht zur y-Achse. Der restliche, äußere Teil bis zum maximalen Radius von 34 cm ist kegelstumpfförmig und bildet mit dem inneren Teil einen Winkel von 10 6°.
Der longitudinale Phasenraum Jedes im Speicherring umlaufende Elektron verliert pro Umlauf einen Teil seiner Energie als Synchrotronstrahlung. Dieser Energieverlust beträgt für ein Soll-Teilchen, das auf dem Sollkreis mit dem Radius rO mit der Sollenergie von 430 MeV umläuft, im Mittel: e² 4#e² #E0- = 1/r #4 = # = 1/# # = 10.7 keV (17) 3# 9# Diese Energie muß den Teilchen wieder zugeführt werden, indem es an einer oder mehreren Stellen des Speicherrings einer totalen beschleunigenden Spannung U0 ausgesetzt wird. Diese Spannung muß eine Wechselspannung mit einer Frequenz sein, die ein ganzzahliges Vielfaches h der Umlauffrequenz v =166,6 106 Hz der Teilchen auf dem Sollkreis ist.
Das Verhältnis zwischen dem Scheitelwert der Beschleunigungsspannung und der vom Sollteäbhen benötigten mittleren Beschleunigungsspannung (hier also 10,7 kV) wird als Überfaktor bezeichnet und hat bei dem vorliegenden Speicherring etwa den Wert 7. Um zu vermeiden, daß die Raumladungsdichte bei hohen Strahlströmen so hoch wird, daß Instabilitäten auftreten, können der beschleunigenden HF-Wechselspannung Oberwellen überlagert werden. Der zeitliche Verlauf der Beschleunigungsspannung läßt sich dann folgendermaßen ausdrücken: (18) c c U(t) = UHF sin (h . t + #s) + UN sin [N(h r0 r0 Dabei ist N die Ordnung der Oberwellen. Damit die die Teilchen azimutal fokussierende Potentialmulde möglichst flach wird, müssen zur Zeit t =0, zu der das Sollteilchen in einem Beschleunigungsspalt die Spannung U0 durchfällt, die Ableitungen gleich Null sein: d d² ddt U(o) = 0, dt² U(o) = O (19) Mit dem Überfaktor q = 6 sowie h = 1 ergibt sich eine beschlellnigende Hochfrequenzspannung mit UHF = 50 kV. Dieser Hochfrequenzspannung wird eine Spannung dreifacher Frequenz (N = 3 ) mit einer Scheitelspannung U2 = 16,2 kV überlagert. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß eine azimutale Fokussierung der Teilchen auch bei relativ großer Phasen- und Energieabweichung noch möglich ist. Dies ist bei der Injektion (Füllung des Speicherrings wichtig. In der Praxis erstreckt sich der zulässige Phasenbereich von -137° bis 10?, was azimutalen Abständen vom Sollteilchen von-51,5 cm bis + 68,7cm entspricht. Die maximal zulässige Energieunscharf, bezogen auf die Sollenergie, ist etwa 4,9 . 10-3.
Das Hochfreguenzbeschleunigungssystem Die Randbedingungen für das HF-Beschleunigungssystem des Speicherrings ergeben sich zum größten Teil aus den obigen Ausführungen und sind im folgenden nochmals zusammengefaßt: Sollkreisradius rO = 287 mm Hochfrequenz VHF= 166,6 MHz Oberwellenzahl h = 1 Maximal nutzbare Spannung Umax= 65 kV Leistungsaufnahme des Pstr = 0,5 . 10,7 kW= Strahles (bei I = 0,5A) 5,35 kW Die Grundfrequenz des HF-Systems wurde gleich der Umlaufsfrequenz gewählt (h = 1), weil es in diesem Frequenzbereich bereits leistungsfähige Sender gibt.
Aus dem gleichen Grund wurde die 3. Oberwelle für das zusätzliche HF-System, also N = 3, bestimmt.
Weitere wichtige Argumente für die Wahl h = 1 sind, daß dann keine Multibunch-Instabilitäten auftreten und andere Instabilitäten gegebenenfalls mit Hilfe eines Feedback-Systems gesteuert werden können.
Die Resonatoren müssen zwischen den Polschuhen des Magneten eingebaut werden, sie dürfen daher eine Bauhöhe von etwa 8 cm nicht überschreiten. Die lichte Höhe soll mindestens 4 cm betragen, um den umlaufenden Strahl nicht zu behindern. In radialer Richtung besteht größere Freiheit.
Für den Einschuß der Elektronen und den Auslaß der Synchrotronstrahlung muß der Resonator zumindest außen in der Mittelebene einen rundumlaufenden Spalt aufweisen. Die obere Hälfte des Resonators sollte gegen die untere zwecks Absaugen von Ionen auf eine Gleichspannung von einigen Kilovolt gelegt werden können.
Der Resonator ist daher auch auf der Innenseite in der Mittelebene aufzuspalten. Der Gesamtleistungsbedarf des oder der Resonatoren soll möglichst klein sein.
Allerdings sollte die als Wärme auftretende Verlustleistung größer als die vom Strahl aufgenommene Leistung von 5,35 kW sein, damit die sogenannte Robinson-Instabilität vermieden wird.
Ein gerader A/4-Resonator kann aus zwei konzentrischen Rohren mit den Radien r. und r in den Längen a-s 1 a bzw. a bestehen, wie es in Fig. 6a im Längsschnitt und Fig. 6b im Querschnitt dargestellt ist. Am einen Ende sind die beiden Rohre durch einen leitenden Ring miteinander verbunden und am anderen Ende bilden sie einen Spalt mit der Länge s. In einem solchen Resonator können die stehende elektromagnetische Wellen mit der Grundfrequenz HF 4a erzeugt werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Es bildet sich dabei nur ein Viertel einer vollen Welle aus, am kurzgeschlossenen Ende ist die Spannung stets null und am offenen Ende liegt über dem Spalt s -die maxiale Wechselspannung U* an. Im max Spalt s werden die entlang der strichpunktiert gezeichneten Achse laufenden Elektronen beschleunigt.
Bei Verwendung im Speicherring sind die Achsen der Rohre des A/4-Resonators oder der A/4-Resonatoren entsprechend der Sollkreisbahn gekrümmt. Die Rohre können auch rechteckige Querschnitte haben.
Da die Wandströme außer auf dem Kurzschlußring azimutal verlaufen, können die Resonatoren in der Mittelebene aufgeschnitten werden.Werden zweA/4-Resonatoren mit den Beschleunigungsspalten gegeneinander gestellt und im Gegentakt erregt, so erhält man einen einzigen Resonator mit einer Gesamtlänge von A/2. Ein solcher Doppelresonator der mit der zweiten Oberwelle der Teilchenumlauffrequenz erreqt wird, erstreckt sich über kanpp 1/2 des Ringumfanges. Ein weiterer Doppelresonator, der mit der dritten Oberwelle der Umlauf frequenz erregt wird, belegt ~ 60°, so daß etwa 1/3 des Ringes für Einschuß- und Strahldiagnostikelemente frei bleibt.
Eine vereinfachte Darstellung eines zweckmäßigen Doppelresonators zeigt Fig. 7a. Fig. 7b zeigt die Spannungs-und Stromverteilung im Doppelresonator gemäß Fig. 7a.
Die charakteristischen Daten eines bevorzugten HF-Systems sind in der folgenden Tabelle 3 zusammengestellt: Tabelle 3: Die charakteristischen Daten des HF-Systems Resonatortyp 2 4A im Gegentakt Resonanzfrequenz 166,6 MHz 499,8 MHz Oberwellenzahl 1 3 Scheitelspannung 50 kV 16,2 kV Shuntimpedanz 0,3 MQ Verlustleistung 4,2 kW Winkellänge --170 ° Querschnitt: Höhe x Breite 40 x 70 mm2 Innen Außen 75 x 135 mm2 HF-Generator Röhrentyp Valvo Typ YL 1530 YL 1560 maximale Ausgangsleistung CW 18 kW 5 kW Topfkreis Valvo Typ 40768 c 40783 Aufbau der Vakuumkammer Fig. 8 zeigt einen Querschnitt eines Teiles der Vakuuicammer 18. Die Wand der Vakuumkammer wird durch zwei schalenförmige Teile 18a und 18b gebildet, die an einer Flanschanordnung 18c vakuumdicht miteinander verschraubt sind. An den Wänden der Vakuumkammer sind die beiden Halt tee eines Resonators 40 durch Isolatoren 42 gehaltert Der radial innere Teil (in Fig. 8 links) der Vakuurnmmer ist durch eine nicht dargestellte Rohrleitung, die durch die Mittelbohrung 30 (Fig. 2) führt, mit einer nicht dargestellten konventionellen Hochvakuumanlage verbunden. Ausserdem befinden sich in der Vakuumkammer radial ausserhalb des Resonators 40 Kryopumpen 44 . In der Sollkreisebene 46 befindet sich aussen an der zylinderischen Wand der Vakuumkammer ein Absorber 48 aus Kupfer, der mit- Kühlkanälen 50 für eine Wasserkühlung versehen ist Ähnliche Kühlkanäle sind auch am Außen- und Innenleiter des Resonators 40 vorgesehen. Der Absorber 48 wird von im wesentlichen tangential verlaufenden Strahlrohren 51 durchsetzt, die der Auskopplung der Synchrotronstrahlung dienen und ein strahlungsdurchlässiges vakuumdichtes Fenster aufweisen können. Ein entsprechendes nicht dargestelltes Rohr dient zum Einschießen der Elektronen.
Die lichte Kammerhöhe beträgt mindestens 4 cm, die Kammerbreite mindestens 7 cm, so daß Verluste durch Wandstöße vernachlässigt werden können. Dies gilt auch für die Einschuß- und Beschleunigungsphase, in denen der Strahlquerschnitt erheblich größer als während der Speicherzeit bei Endenergie ist.
Das Vakuum in der Vakuumkammer 18 sollte mindestens etwa 3 x 10 7Pa betragen. Hierfür werden in der Praxis Pumpen mit einer Saugleistung von etwa 2500 l/s benötigt.
Diese Saugleisçung kann ohne Schwierigkeiten von den beiden ringförmigen Kryo-Kondensationspumpen 44 aufgebracht werden, die oberhalb und unterhalb der Mittelebene im Bereich zwischen dem bandförmigen Absorber 48 und dem kastenförmigen Resonator 40 angeordnet sind. Da die hauptsächliche Gasquelle das gezahnte, wassergekühlte OFHC-Kupfer-Absorberband 48 ist, wirken diese Kryopumpen zwischen der Hauptgasquelle und der durch das Strahlvolumen gebildeten empfindlichen Zone als Gasfalle und schützen das Strahlvolumen optimal.
Eine weitere Kryopumpe ist im Zentrum der Vakuumkammer vorgesehen, so daß auch von der Innenseite her gepumpt werden kann. Zum Absaugen von Ionen aus dem Bereich des Strahlvolumens sind 2 cm oberhalb und unterhalb des Strahlbereiches Saugelektroden (nicht dargestellt) vorgesehen.
Aus Stabilitätsgründen soll der Querschnitt der Strahlkammer, in der der Strahl im Speicherring umläuft, nur dort vom Querschnitt des Innenrohres der Resonatoren abweichen, wo es unvermeidbar ist, also an den Beschleunigungsspalten. Es ergibt sich dann einerelativ kleine longitudinale Impedanz der Kammer, was die Wirkung von unerwünschten Raumladungseffekten abschwächt.
Injektion Als Elektronenquelle und Injektor wird vorzugsweise ein Linearbeschleuniger mit den folgenden Eigenschaften verwendet: Energie : (8 + 2) MeV Energieunschärfe : +2,0 % Maximaler Pulsstrom : 2 A Pulsdauer : 20 ns Pulsanstiegszeit : 3 ns Pulsfeinstruktur: : 2,998 GHz Emittanz : 3 n mm mrad Wiederholfrequenz : 10 Hz Die Emittanz ist sehr klein gegen die radiale Akzeptanz Ar -des Speicherringes: # Q a² Ar = = 2900 #mm mrad (21) r Dabei ist a die halbe radiale Apertur von 35 mm. Wegen des kleinen Radius gibt es also kaum Probleme der radialen Phasenflächenanpassung. Die Geometrie des Injektionspfades ist in Fig. 9 dargestellt.
Das Injektions-System besteht aus einer abbildenden Optik 53, einem Inflektor 52 und einem Kicker 54. Der Strahl 56 wird mit Hilfe eines einfachen optischen Systems vom Ausgang des in Fig. 9 nicht dargestellten Linearbeschleunigers L (Fig. 1) zum Obergabepunkt am Ende des Inflektors 52 ahgebildet. Dabei durchquert er das Eisenjoch durch eine Bohrung, die wegen der geringen Erregung praktisch feldfrei ist. Der Feldverlauf in dem anschließenden Bereich ist in Fig. 10 gegen den Radius r aufgetragen. Der Inflektor 52, ein horizontal geschlitzter, gepulster Septummagnet, überlagert in diesem Gebiet ein ein Gegenfeld von ca. 350 10 T. Die Pulsdauer kann größenordnungsmäßig 1 µs betragen. Die Injektionsbahn der Elektronen innerhalb des Eisenjochs ist in Fig. 9 dargestellt. Der Strahl verläßt das Inflektorfeld tangential zu einem Kreis mit dem Radius = = r rO + 4 cm = 32; 7 cm (22) Um die Elektronen in der Maschine einzufangen, wird der magnetische Kicker 54 als zusätzliches Einlenkelement eingesetzt. Dieser besteht aus je einer Stromschleife oberhalb des inneren Teiles der Vakuumkammer und erstreckt sich zwischen Azimutwinkeln von 1000 bis 1600 strahlabwärts vom Übergabepunkt, ist also 30 cm lang.
Er produziert ein Feld von etwa 7 10 T, das sind 7,5 % des Felds von 9,3 10 2T am Sollkreis. Dieses Feld fällt während dreier Umläufe, also in 18 ns, linear auf Null ab. Solche Felder lassen sich mit Hilfe von schnellen Schwingkreisen produzieren, deren Schwingungen durch Thyristorketten im Nulldurchgang abgeschnitten werden.
Ohne den Kickerbump würde das Elektron im Phasenraum einen Kreis mit dem Injektionsradius rinj beschreiben und nach ca. einer halben Betatronschwingung an der inneren Wand verloren gehen. Während des ersten Umlaufes reduziert der Kickerbump die Betatronamplitude um-29 mm.
Das abnehmende Kickerfeld weitet die Amplitude im zweiten Umlauf um 16 mm auf, doch bleibt das Teilchen innerhalb der zulässigen Apertur. Der Bump während des dritten Umlaufes bewirkt noch eine geringfügige Verkleinerung der Betatronamplitude. Danach kann das Teilchen als eingefangen gelten.
Bei den angegebenen Parametern des Speicherringes können Energieabweichungen von der Sollenergie bis zu 1,4 % akzeptiert werden. Das Einschußsystem ist so ausgelegt, daß es diesen Wert nicht zusätzlich einschränkt. Da die HF-Amplitude bereits während des Einschusses auf ihren maximalen Wert eingestellt ist, begrenzt sie die Energieakzeptanz ebenfalls nicht. Die HF-Phasenakzeptanz beträgt ca. 70 %. Ein Injektorstrom von 2 A dürfte daher ausreichen, um im Speicherring einen maximalen Strom von 500 mA speichern zu können.
Das oben beschriebene spezelle Ausführungsbeispiel läßt sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln.Im allgemeinen soll jedoch der Sollradius der Kreisbahn unter 60 cm und die Endenergie unter 600 MeV-liegen. Der gespeicherte Elektronenstrom soll im allgemeinen mindestens 100 mA betragen. Die Energie der injizierten Elektronen (Injectionsenergie) wird im allgemeinen in der Größenordnung von 10 MeV liegen.

Claims

Synchrotron-Röntgenstrahlungsquelle Patentansprüche y Röntgenstrahlungsquelle mit einem zum Speichern von Elektronen mit einer für die Erzeugung von Röntgenstrahlung vorgegebener kritischer Wellenlänge ausreichenden Endenergie und einer für eine vorgegebene Mindestintensität der Röntgenstrahlung ausreichenden Mindeststromstärke dienenden Elektronenspeicherring, welcher ein Magnetsystem mit einer Magnetkernanordnung sowie Magnetspulen, und eine Vakuumkammer für die auf einer Kreisbahn umlaufenden Elektronen enthält; ferner mit einer Injektoranordnung zum Einspeisen der Elektronen in den Speicherring, und mit einer mit dem Speicherring gekoppelten Hochfrequenzeinrichtung zum periodischen Zuführen von Enerqie zu den im Speicherring kreisenden Elektronen, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Magnetsystem (12, 14), Supraleiterspulen (20, 22) enthält und für einen Sollradius der Kreisbahn unter 60 cm, für eine Endenergie in der Größenordnung von mehreren 100 MeV sowie für eine schwache Fokussierung der umlaufenden Elektronen ausgelegt ist; daß die Injektoranordnung einen Beschleuniger (L) enthält, welcher mit dem Speicherring (R) direkt gekoppelt ist und einen Elektronenpuls erzeugt, welcher eine Elektronen-Injektionsenergie von weniger als 10% der Endenergie hat und welcher eine solche Stromstärke sowie Dauer aufweist, daß ein einziger Elektronenpuls für eine die Mindeststromstärke gewährleistende Füllung des Speicherringes während weniger Umläufe der Elektronen im Speicherring gestattet; und daß der Elektronenspeicherring (R) sowie die Hochfrequenzeinrichtung sowohl für eine Beschleunigung der injizierten Elektronen von der Injektionsenergie auf die Endenergie als auch in bekannter Weise für die Ergänzung von Energieverlusten der mit der Endenergie gespeicherten Elektronen ausgelegt sind.
2. Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gek e n n zeichne t, daß die Injcktionsenergie in der Größenordnung von 10 MeV liegt.
3. Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch- 1 oder 2, d a d u r c h gek e n n z e i c h ne t, daß die Endenergie unter 600 MeV liegt.
4 Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der gespeicherte Elektronenstrom mindestens einige 100 Milliampere beträgt.
5. Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Dauer des injizierten Elektronenpulses höchstens wenige 10 Nanosekunden beträgt.
6. Röntgenstrahlungsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e-n nz e i c h n e t, daß der Beschleunigerteil der Injektoranordnung aus einem Linearbeschleuniger besteht.
7. Röntgenstrahlungsguelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Injektoranordnung außer dem Beschleuniger außerdem eine Fokussierungsoptik (53), einen Inflektor (52) sowie einen Kicker (54) enthält (Fig. 9).
8. Röntgenstrahlungsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c n e t, daß der Elektronenspeicherring mit einem Beschleunigungssystem versehen ist, welches das Feld im Speicherring von einem während der Elektroneninjektion herrschenden Wert in der Größenordnung von 10 1T innerhalb einiger Sekunden auf einen Wert in der Größenordnung von 0,4 bis 0,5 T und dann innerhalb einiger Minuten auf den während der Speicherphase herrschenden Endwert erhöht.
9. Röntgenstrahlungsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c n e t, daß das Magnetfeld des Speicherringes in der Speicherphase größenordnungsmäßig die folgenden Parameter aufweist: B(r0) = 5 T DB/Dr(r ) = -9 T/m #²B/#r²(r0) 0 - 15T/m² n = 0,525 wobei r der Sollkreisradius und n der Feldindex sind.

0
10. Röntgenstrahlungsquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n nz e i c h r e t, daß der Speicherring ein Paar jeweils zweigeteilter Hauptspulen (20) und mindestens ein Paar von Korrekturspulen (22, 24) enthält.