DE4000666A1

DE4000666A1 - Elektromagnet fuer teilchenbeschleuniger

Info

Publication number: DE4000666A1
Application number: DE4000666A
Authority: DE
Inventors: Shunji Yamamoto; Tadatoshi Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-01-12
Filing date: 1990-01-11
Publication date: 1990-07-19
Anticipated expiration: 2010-01-12
Also published as: DE4000666C2; US5117212A

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten für einen Teilchenbeschleuniger, insbesondere den Aufbau eines Ab lenkelektromagneten.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht beispielsweise den Teilchenbe schleuniger gemäß der Veröffentlichung "Superconducting Racetrack Electron Storage Ring and Coexistent Injector Microtron for Synchrotron Radiation" von Yoshikazu Miyahara, Koji Takata und Tetsyta Nakanishi, Technical Report Nr. 21 der ISSP vom September 1984, veröffentlicht vom Japan Chemical Engineering Information Center.

Bei dem gezeigten Teilchenbeschleuniger werden geladene Teilchen in einem den Teilchenbeschleuniger bildenden Spei cherring 1 gespeichert. Diese geladenen Teilchen (z. B. Elektronen) werden entlang einem Einfallsstrahlrohr 2 in den Speicherring 1 eingeschossen. Dieser Teilchenbeschleu niger ist mit Ablenkelektromagneten 3 ausgerüstet, die eine stabile Umlaufbahn 4 durch Ablenkung der geladenen Teilchen bilden und durch die Kombination von Ablenkspulen in der nachstehend beschriebenen Weise gebildet sind.

Strahlungsrohre 5 dienen der Extraktion von Strahlung, die erzeugt wird, wenn die geladenen Teilchen in den Ablenk elektromagneten abgelenkt werden. Diese Strahlung, die als Synchrotronstrahlung bzw. Synchrotronbahnstrahlung bezeich net wird, wird extrahiert und für lithografische Zwecke etc. genützt. Im allgemeinen sind viele Strahlungsrohre 5 entlang den Ablenkelektromagneten 3 vorgesehen, um den Wir kungsgrad des Beschleunigers zu steigern. In der Zeichnung ist jedoch jeder Ablenkelektromagnet 3 nur mit einem Strah lungsrohr gezeichnet.

Vierpolelektromagnete 6 dienen der Fokussierung der gela denen Teilchen im Speicherring 1, und Sechspolelektroma gnete 7 dienen der Korrektur etwaiger nichtlinearer Magnet felder oder Abweichungen der Ablenkelektromagnete 3. Ein HF-Hohlraum 8 gleicht Energieverluste der geladenen Teil chen infolge der Strahlungsemission aus, so daß sie wieder auf ein vorbestimmtes Energieniveau beschleunigt werden. Eine Stoßeinrichtung 9 verschiebt die stabile Umlaufbahn 4 beim Einschießen geladener Teilchen entlang dem Einfalls strahlrohr 2, um dadurch den Eintritt neuer geladener Teil chen zu fördern. Eine Vakuumkammer 10 dient als Führung für die geladenen Teilchen, ein Einlenkkondensator 11 unter sützt den Eintritt der geladenen Teilchen in den Speicher ring 1 entlang dem Einfallsstrahlrohr 2, und eine Vakuum pumpe 12 dient der Unterhaltung eines guten Vakuums in der Vakuumkammer 10. Diese Bauelemente sind entlang der stabi len Umlaufbahn 4 angeordnet. Die Vakuumkammer 10 ist mecha nisch hochfest und besteht aus rostfreiem Stahl, der ohne weiteres zum Entfernen von Gasen ausheizbar ist. Ein Ultra hochvakuum wird von der Vakuumpumpe 12 im Innenraum dieser Vakuumkammer 10 unterhalten, so daß die geladenen Teilchen nicht mit den Gasmolekülen kollidieren und Energie verlieren, was ihre Lebensdauer verkürzen würde.

Die Fig. 2-4 sind eine Perspektivansicht, eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht, die einen der Ablenkelektromagnete 3 von Fig. 1 zeigen.

Der gezeigte Ablenkelektromagnet 3 besteht aus zwei supra leitenden Spulen, und zwar einer oberen und einer unteren Spule 31 und 32. Da diese Spulen eine ultrahohe Magnetkraft ausüben, nehmen sie eine Luft-Eisenkern-Struktur ohne Eisenkerne an. Die Pfeile m 1 und m 2 bezeichnen die Richtung der elektrischen Ströme in den Spulen 31 und 32, und ein Pfeil n bezeichnet die Richtung des Elektronenstrahls auf der stabilen Umlaufbahn 4. Aus den Fig. 3 und 4 ist ersicht lich, daß die stabile Umlaufbahn 4 in einer Ebene einer Polarkoordinate R R (z = 0) durch einen Halbkreis ρ 0 und damit verbundene Geraden darstellbar ist. Dabei bezeichnen ρ 1 und ρ 2 den Innen- bzw. den Außenradius der bananen förmigen Spulen 31 und 32.

Nachstehend wird der Betrieb des konventionellen Teilchen beschleunigers nach den Fig. 1-4 beschrieben.

Die entlang dem Einfallsstrahlrohr 2 in den Speicherring 1 eingeschossenen geladenen Teilchen werden impulsartig von dem Einlenkkondensator 11 abgelenkt, und ihre Umlaufbahn wird von der Verschiebeeinrichtung 9 verschoben. Damit zir kulieren die geladenen Teilchen zuerst auf einer Umlaufbahn, die von der stabilen Umlaufbahn 4 etwas abweicht. Nach meh reren Bahnumläufen laufen sie auf der stabilen Umlaufbahn 4 in der mit dem Pfeil n bezeichneten Richtung um. Diese stabile Umlaufbahn 4 ist durch die Art der Anordnung der Ablenkelektromagnete 3 und der Vierpolelektromagnete 6 bestimmt. Das Hauptmagnetfeld, das in der oberen und der unteren Spule 31 und 32 von den elektrischen Strömen in Richtung m 1 und m 2 erzeugt wird, verläuft in -Z (-Y)-Rich tung, und der auf der stabilen Umlaufbahn fließende elektri sche Strom fließt entgegengesetzt zu der Elektronenstrahl richtung n. Infolgedessen wirkt auf die geladenen Teilchen, d. h. auf den Elektronenstrahl, der zwischen der oberen und der unteren Spule 31 und 32 durchläuft, eine elektromagne tische Kraft in -R-Richtung entsprechend der Linke-Hand- Regel, und der Elektronenstrahl wird mit einer Krümmung mit dem Radius ρ 0 gebogen. Der Radius ρ 0 dieser stabilen Umlaufbahn 4 kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

ρ 0 = P/(e · By) (1),

wobei P der Impuls der Elektronen, e die Ladung der Elek tronen und By das erzeugte Magnetfeld in Richtung der Y-Achse der oberen und unteren Spule 31, 32 ist.

Die Y-Achse ist eine Achse, die parallel zu der Z-Achse verläuft, die mit der stabilen Umlaufbahn 4 in Beziehung steht, und die X-Achse, die nachstehend beschrieben wird, ist eine Achse in der gleichen Richtung wie der Radius R der Polarkoordinate in bezug auf die stabile Umlaufbahn 4.

Der HF-Hohlraum 8 beschleunigt die geladenen Teilchen, und die Sechspolelektromagnete 7 korrigieren etwaige Ungleich mäßigkeiten in Radialrichtung der Magnetfelder der Ablenk elektromagnete 3, etwaige Abweichungen etc.

Wenn die auf der stabilen Umlaufbahn 4 umlaufenden geladenen Teilchen somit von den Magnetfeldern der Ablenkelektromag nete 3 abgelenkt werden, tritt die elektromagnetische Welle infolge der Bremsstrahlung als Strahlung aus den Strahlungsrohren 5 in Tangentialrichtungen der stabilen Umlaufbahn 4 aus.

Da der Elektronenstrahl um die stabile Umlaufbahn 4 eine Betatronschwingung ausführt, wird allgemein eine gleichför mige Magnetfeldverteilung (ein guter Magnetfeldbereich) von ca. 10^-4 bis 10^-3 in einer Richtung benötigt, die senkrecht zur Elektronenstrahlrichtung n ist (im wesentlichen in der Richtung R, d. h. der Richtung der X-Achse), und zwar über einen Bereich von mehreren cm oder mehr um die zentrale Umlaufbahn. Wenn die Magnetfeldverteilung der supraleitenden Ablenkspulen 31 und 32 ungleichmäßig ist, weicht die stabi le Umlaufbahn des Elektronenstrahls vom Mittelpunkt der oberen und der unteren Spule 31 und 32 ab. Wenn diese Ab weichung einen vorbestimmten Wert überschreitet, trifft der Elektronenstrahl auf die Vakuumkammer 10 auf und ist ver loren.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die durch Berechnung erhaltene Verteilung des Magnetfelds By im Ablenkelektromagneten 3 in R-Richtung bzw. in Richtung der X-Achse zeigt. Wenn der Innenradius ρ 1 und der Außenradius ρ 2 der oberen bzw. der unteren Spule 31 und 32 mit 315,8 mm bzw. 675,8 mm ange nommen wird, zeigt das Diagramm den Wert von (By-By 0)/By 0 als Prozentsatz bei einem Abstand von 252 mm zwischen der oberen und der unteren Spule 31 und 32. Dabei bezeichnet By 0 das Zentrum der stabilen Umlaufbahn 4, d. h. ω = 50 mm. Die radiale Lage der stabilen Umlaufbahn 4 von R = ρ 0 (x = 0) gemäß der Gleichung (1) ist dabei:

ρ 0 = 495,8 mm.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Position, an der das Magnetfeld By seinen Peak hat, eine Position ist, an der der Radius etwas größer als R = ρ 0 (die Außenseite) ist, wenn R = 90°. Je näher R an 0° liegt, umso näher liegt die Peak-Position an der Seite des Innendurchmessers ρ 1 (der Innenseite). Selbst wenn also die stabile Umlaufbahn 4 für den Elektronenstrahl unveränderlich ist, ändert sich der Absolutwert des Magnetfeldes, dem der Strahl auf der stabilen Umlaufbahn 4 ausgesetzt ist, beträchtlich zwischen dem Eintritt der Ablenkelektromagnete 3 und dem zentralen Abschnitt. Diese Änderung ergibt sich durch die bananen artige Form der oberen und der unteren Spule 31 und 32.

Fig. 6 zeigt im Schnitt beispielsweise einen Führungsmagnet in dem Teilchenbeschleuniger gemäß "Designing UVSOR Storage Rings" No. UVSOR-9, Dezember 1982, Molecular Science In stitute.

Bei dem gezeigten Führungsmagneten hat ein Eisenkern 13 ein Rücklaufjoch 14 und Magnetpole 15. Eine Spule 16 ist um das Rücklaufjoch 14 gewickelt, und die genannten Magnetpole 15 sind mit einer dazwischen befindlichen Vakuumkammer 10 angeordnet. Geladene Teilchen 17 passieren diese Vakuum kammer 10 entlang einer stabilen Umlaufbahn 4.

Fig. 7 ist eine Seitenansicht des Führunqsmagneten von Fig. 6. Das Rücklaufjoch 14 hat eine Breite von z. B. 100 mm, und die Spule 16 hat eine Breite W 2 von z. B. 300 mm.

Nachstehend wird der Betrieb des Führungsmagneten für einen Teilchenbeschleuniger der obigen Konstruktion beschrieben. Wenn der Spule 16 Strom zugeführt wird, wird zwischen den Magnetpolen 15 in Horizontal- oder Vertikalrichtung je nach der Einbaurichtung der Magnetpole 15 ein Magnetfeld er zeugt. Der Führungsmagnet übt in Richtung des Vektorpro dukts des zwischen den Magnetpolen 15 erzeugten Magnetfel des und des elektrischen Stroms infolge der Bewegung der zwischen den Magnetpolen 15 durchlaufenden geladenen Teil chen 17 eine elektromagnetische Kraft aus, wodurch die Umlaufbahn der Teilchen geringfügig abgelenkt wird. Norma lerweise werden Führungsmagnete gemeinsam mit Ablenkelek tromagneten 3 und Vierpolelektromagneten 6 etc. in einem Teilchenbeschleunigungsring, einem Teilchenspeicherring etc. eingesetzt. In solchen Fällen weisen sämtliche Füh rungsmagnete unabhängige Magnetfeldausgangskomponenten auf, und die jeweiligen Funktionen dieser Führungsmagnete in bezug auf die geladenen Teilchen 17 sind gesondert fest gelegt.

Das Problem bei den Ablenkelektromagneten der konventionel len Teilchenbeschleuniger der Fig. 1-5 ist, daß der Abso lutwert der Magnetfelder auf der stabilen Umlaufbahn sich von einer Position zur anderen stark ändert, so daß eine Abweichung der stabilen Umlaufbahn für den Elektronenstrahl auftritt. Ferner ergibt sich, wie die Fig. 6 und 7 zeigen, folgendes Problem im Fall von Elektromagneten konventionel ler Teilchenbeschleuniger: Wenn z. B. für jeden Teilchen speicherring ein einziger Führungsmagnet vorgesehen ist, muß in Richtung der Teilchenumlaufbahn ein der Breite W 2 (ca. 300 mm) des Führungsmagneten entsprechender Zwischen raum vorgesehen sein. Da an einem Speicher- oder Beschleu nigungsring mehrere, in manchen Fällen zehn oder mehr Füh rungsmagnete angeordnet sind, ist die Umfangslänge des Rings beträchtlich, so daß ein zu großer Ring resultiert.

Die Erfindung dient dem Ziel der Beseitigung des vorgenann ten Problems. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen Elektromagneten bereitzustellen, der mit raumsparenden Füh rungsmagneten, kleinen Vierpolspulen zur Fokussierung etc. ausgestattet ist, sowie einen Elektromagneten anzugeben, bei dem die Magnetfeldverteilung auf der stabilen Umlaufbahn dadurch auf eine Sollbedingung einstellbar ist, daß die Krümmung der Hauptspule teilweise geändert wird oder daß die Dicke des Eisenkerns, der sich entlang dieser Haupt spule diese umgebend erstreckt, an verschiedenen Stellen auf der stabilen Umlaufbahn verschieden ist.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Ablenk elektromagnet für einen Teilchenbeschleuniger angegeben, wobei Hohlräume, durch die eine Vakuumkammer verläuft, in Klemmplatten des Eisenkerns gebildet sind und diese Hohl räume kleine Spulen enthalten, die den Eisenkern als Ma gnetpfad nützen und zur Einstellung der Teilchenumlaufbahn dienen können. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Ablenkelektromagnet angegeben, bei dem die Krüm mung der bananenförmigen Spulen in den Endabschnitten grö ßer als im Mittenabschnitt ist, wodurch die Magnetfeldver teilung auf der stabilen Umlaufbahn vergleichmäßigt wird. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Ablenk elektromagnet vorgesehen, bei dem die Dicke des Eisenkerns an verschiedenen Positionen entlang der stabilen Umlaufbahn für geladene Teilchen verschieden ist, wodurch eine ge wünschte Magnetfeldverteilung erzielbar ist. Dabei ist ins besondere zu beachten, daß die erste und die dritte Aus führungsform der Erfindung nicht auf die Konstruktion der Ablenkelektromagnete für einen Teilchenbeschleuniger be schränkt ist, sondern auch bei anderen Arten von Elektro magneten, die in einen Teilchenbeschleuniger eingebaut sind, Anwendung finden kann.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen konventionellen Teilchenbeschleuniger;

Fig. 2 bis 4 eine Perspektivansicht, eine Draufsicht und eine Seitenansicht der oberen und unteren Spule eines Ablenkelektromagneten in dem Be schleuniger von Fig. 1;

Fig. 5 ein Diagramm, das die durch numerische Berech nung erhaltene Magnetfeldverteilung der Spu lenanordnung von Fig. 4 zeigt;

Fig. 6 eine Vorderansicht eines Beispiels eines Füh rungsmagneten in einem konventionellen Teil chenbeschleuniger;

Fig. 7 eine Seitenansicht des Führungsmagneten von Fig. 6;

Fig. 8 eine Perspektivansicht eines Ablenkelektroma gneten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung, der mit Führungsmagneten ausgestattet und in einem Teilchenbeschleuniger verwendbar ist;

Fig. 9 einen Schnitt IX-IX von Fig. 8;

Fig. 10 eine größere Perspektivansicht eines verstärk ten Endabschnitts des Ablenkmagneten von Fig. 9;

Fig. 11 eine teilweise Vorderansicht eines Führungs magneten, der in einem Ablenkelektromagneten gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung vorge sehen ist;

Fig. 12 einen Schnitt XII-XII von Fig. 11;

Fig. 13 eine teilweise Vorderansicht eines Vierpol- Fokussierelektromagneten, der in einem Ablenk elektromagneten gemäß einem dritten Ausfüh rungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist;

Fig. 14 einen Schnitt XIV-XIV nach Fig. 13;

Fig. 15 eine perspektivische Explosionsansicht eines Führungsmagneten, der an einem Ablenkelektro magneten gemäß einem vierten Ausführungsbei spiel der ersten Ausführungsform der Erfindung zu befestigen ist;

Fig. 16 eine teilweise Vorderansicht des Führungs magneten von Fig. 15 nach der Montage;

Fig. 17 und 18 eine Vorder- und eine Seitenansicht der Haupt spule eines Ablenkelektromagneten gemäß einem ersten Ausführungsgbeispiel der zweiten Aus führungsform der Erfindung;

Fig. 19 ein Diagramm, das die durch numerische Berech nung erhaltene Magnetfeldverteilung der Spule von Fig. 17 zeigt;

Fig. 20 eine Perspektivansicht eines Ablenkelektroma gneten für einen Teilchenbeschleuniger gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 21 bis 23 Schnitte XXI-XXI, XXII-XXII bzw. XXIII-XXIII nach Fig. 20;

Fig. 24 einen Schnitt durch einen Ablenkelektromagne ten gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der dritten Ausführungsform der Erfindung;,

Fig. 25 einen Schnitt durch einen Ablenkelektromagne ten gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der dritten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 26 einen Schnitt durch einen Ablenkelektromagne ten gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 8 zeigt einen Ablenkelektromagneten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfin dung. Der gezeigte Elektromagnet weist Klemmplatten 21 auf, die an Rücklaufjochen 22 befestigt sind zur Bildung eines Eisenkerns. Eine stabile Umlaufbahn 4 für geladene Teilchen 17 ist so vorgesehen, daß sie durch in den Klemmplatten 21 gebildete Hohlräume 23 verläuft, wobei die geladenen Teil chen 17 sich auf der stabilen Umlaufbahn 4 bewegen, die Rennbahnkonfiguration hat. Führungsspulen 24, die Führungs magnete bilden, sind über und unter jedem Hohlraum 23 vor gesehen.

Fig. 9 ist ein Schnitt IX-IX von Fig. 8 entlang der die stabile Umlaufbahn 4 einschließenden Ebene. Mit 31 a und 32 a sind die die Hauptspule bildenden Spulen bezeichnet, d. h. die obere und die untere Spule eines Ablenkelektromagneten 3, wobei jede Spule aus einer äußeren und einer inneren Spule unter Bildung einer Schleife besteht. Die obere und die untere Spule 31 a und 32 a erzeugen ein Magnetfeld, das zu der Ebene von Fig. 9 senkrecht ist, so daß die geladenen Teilchen 17 abgelenkt werden können und die stabile Umlaufbahn 4 gekrümmt werden kann. Die Endabschnitte der Rück laufjoche 22 sind teilweise verdickt zur Bildung verstärk ter Endabschnitte 25. Dadurch wird die Querschnittsfläche des Eisenkerns dort, wo er mit den Klemmplatten 21 verbunden ist, größer gemacht.

Die Klemmplatten 21 dienen dem Zweck zu verhindern, daß das von dem Elektromagneten 3 erzeugte Magnetfeld als Streumag netfeld die mit diesem Elektromagneten 3 in Kontakt be findlichen Bauteile beeinflußt. Durch die von den Klemm platten 21 gebildete magnetische Abschirmung ist das durch den Ablenkelektromagneten 3 vorhandene Streufeld in den Ab schnitten der stabilen Umlaufbahn 4 vor diesen Klemmplatten nahezu nicht vorhanden. Die beiden Führungsspulen 24, die jeden Hohlraum 23 der Klemmplatten 21 umgebend angeordnet sind, erzeugen ein Magnetfeld, dessen Hauptkomponente senk recht zu der durch die stabile Umlaufbahn 4 gebildeten Ebene verläuft. Wegen dieser Magnetfelder empfangen die geladenen Teilchen 17 eine horizontale Lorentzkraft, die eine Fein ablenkung der geladenen Teilchen und damit eine Feinein stellung der stabilen Umlaufbahn 4 bewirkt. Diese Funktion ist mit derjenigen von konventionellen Führungsmagneten vollständig identisch. Es ist jedoch zu beachten, daß der erforderliche Magnetkreis nicht nur durch die Rücklauf joche, sondern auch durch die Klemmplatten 21 gebildet ist, die an dem Ablenkelektromagneten 3 befestigt sind. D. h., die Klemmplatten 21 dienen nicht nur als magnetische Ab- schirmplatten, sondern haben außerdem die Funktion eines Rücklaufjochs und bilden den Magnetkreis eines Führungs magneten.

Fig. 10 ist eine teilweise weggebrochene perspektivische Schnittdarstellung der verstärkten Endabschnitte des Ab lenkelektromagneten 3. Magnetfeldlinien 26 bezeichnen das Magnetfeld, das erzeugt wird, wenn den oberen und unteren Spulen 31 a und 32 a der Hauptspule Strom zugeführt wird. Dort, wo die Magnetfeldlinien 26 dicht sind, ist das Ma gnetfeld relativ stark, und wo die Magnetfeldlinien 26 geringe Dichte aufweisen, ist das Magnetfeld relativ schwach. In Fig. 10 ist die Änderung der Dichte der Ma gnetfeldlinien 26 entsprechend dem Ergebnis einer nicht linearen dreidimensionalen quantitativen Analyse des Ma gnetfelds einschließlich der Rücklaufjoche 2 sichtbar gemacht.

Die Querschnittsfläche der Rücklaufjoche 22 und ihrer ver stärkten Endabschnitte 25 ist größer als die Querschnitts fläche der Klemmplatten 21. Infolgedessen ist der magneti osche Widerstand der Rücklaufjoche 22 und der verstärkten Endabschnitte 25 sehr klein, so daß die Magnetfeldlinien 26 ohne weiteres passieren können, was dazu führt, daß sich die meisten Magnetfeldlinien 26 an von den Klemmplatten 21 verschiedenen Bereichen konzentrieren. Mit anderen Worten heißt das, daß das Magnetfeld um die Klemmplatten 21 herum ziemlich schwach ist, so daß auch mit dünnen Klemmplatten ein ausreichender magnetischer Abschirmeffekt erzielbar ist. Infolgedessen können die Klemmplatten relativ dünn gemacht werden, so daß der in Richtung der stabilen Umlauf bahn 4 vorzusehende Raum klein sein kann. Infolgedessen kann der für den Einbau einer Anzahl Vorrichtungen in der Richtung der stabilen Umlaufbahn 4 verfügbare Raum vergrö ßert werden. Somit kann ein kleiner Teilchenbeschleuniger, z. B. ein kleiner Teilchenbeschleunigungsring oder ein kleiner Teilchenspeicherring, realisiert werden.

Bei dem in der dreidimensionalen Magnetfeldanalyse verwen deten Modell betrug die Breite W 3 der Rücklaufjoche 22 450 mm, und die Abmessungen L 1, L 2 der verstärkten Endab schnitte 25 betrugen 300 mm. Dagegen betrug die Breite W 4 der Klemmplatten 21 nur 150 mm, d. h. ein Drittel der Breite W 3 der Rücklaufjoche 22. Das Resultat der Magnetfeldanalyse zeigte, daß bei einer Magnetflußdichte von 4,5 T des zen tralen Magnetfeldes der oberen und unteren Spule 31 a und 32 a der Hauptspule das Streumagnetfeld vor den Klemmplatten 21 im wesentlichen Null war, so daß ein ausreichender Ma gnetfeld-Abschirmeffekt erhalten wird.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel sind die Führungs spulen 24 über und unter jedem Hohlraum 23 angeordnet; sie können aber auch rechts und links von jedem Hohlraum vor gesehen sein. In diesem Fall wird von jedem Paar Führungs spulen 24 ein horizontales Magnetfeld erzeugt, das in der selben Ebene wie die stabile Umlaufbahn 4 liegt. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen diesen Magnetfeldern und den geladenen Teilchen 17 wird die stabile Umlaufbahn 4 in Ver tikalrichtung feineingestellt.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel werden entweder die horizontalen oder die vertikalen Komponenten des Aus gangsmagnetfeldes der Führungsmagnete erzeugt; es ist jedoch auch möglich, wie die Fig. 11 und 12 zeigen (die ein zweites Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellen), Führungsspulen 24 auf sämtlichen vier Seiten jedes Hohlraums 23 anzuordnen. Die über und unter jedem Hohlraum 23 vorgesehenen Führungsspulen 24 erzeugen eine Ablenkkraft für die geladenen Teilchen 17 in Horizontalrichtung und die Führungsspulen 24 rechts und links von jedem Hohlraum erzeugen eine Ablenkkraft für die geladenen Teilchen in Vertikalrichtung.

Fig. 13 ist eine teilweise Seitenansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform zeigt, und Fig. 14 ist ein Schnitt XIV-XIV von Fig. 13. Dabei sind vier Vierpolmagnetpole 27 a vorgesehen, die von der gleichen Anzahl Vierpolspulen 27 umgeben sind. Der vorspringende Teil jedes Vierpolmagnetpols 27 a hat Hyperbelform. Die Vierpolspulen 27 und die Vierpolmagnetpole 27 a bilden zu sammen mit dem die Vierpolmagnetpole 27 a umgebenden Teil der Klemmplatte 21 einen Vierpolelektromagneten für die Fokussierung geladener Teilchen 17.

Üblicherweise ist ein Vierpolelektromagnet als ein von anderen Arten von Elektromagneten wie Ablenkelektromagne ten, die die erforderlichen Bauelemente eines Teilchenbe schleunigers bilden, unabhängiges Bauelement ausgebildet. Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist ein Vierpol elektromagnet unter Nutzung eines Teils des Eisenkerns eines Ablenkelektromagneten gebildet.

Bei dem vorstehend beschriebenen ersten und dritten Aus führungsbeispiel sind Führungsspulen 24 und Vierpolspulen 27 direkt an Abschnitten um den Hohlraum 23 jeder Klemmplat te 21 herum angeordnet; die Hohlräume 23 können aber in manchen Fällen kleiner sein, was von der Auslegung der Füh rungsmagnete und der Vakuumkammer 10 abhängt. In solchen Fällen kann der Vorgang der Montage der Führungsspulen 24 und der Vierpolspulen 27 äußerst schwierig oder sogar un möglich sein. Die Konstruktion nach Fig. 15 soll dieses Problem beseitigen.

In Fig. 15 bezeichnet 28 eine Eisenbasis, deren beide End abschnitte als Keile 28 a ausgebildet sind, wobei die Boden fläche der Eisenbasis 28 in bezug auf ihre Seitenflächen einen Winkel von weniger als 80° bildet. Eine Führungsspule 24 ist auf der Oberseite der Eisenbasis 28 mit Befesti gungselementen 29 befestigt. Die Eisenbasis 28 wird in Nuten 21 a eingesetzt, die die Paßteile an der Seite der Klemmplatte 21 bilden, und in diesen Nuten befestigt. Wie Fig. 16 zeigt, ist die Eisenbasis 28 an der Klemmplatte 21 mit Befestigungselementen 30 festgelegt.

Nachstehend wird die Montagefolge des Ausführungsbeispiels der Fig. 15 und 16 beschrieben. Zuerst wird in einem Raum mit viel Platz, also außerhalb des Hohlraums 23, die Füh rungsspule 24 auf der Eisenbasis 28 befestigt. Dies ist möglich, weil die Eisenbasis 28 und die Klemmplatte 21 als getrennte Bauelemente hergestellt sind. Somit kann die Füh rungsspule 24 auf der Eisenbasis 28 befestigt werden, bevor letztere an der Klemmplatte 21 montiert wird. Nach der Mon tage der Führungsspule 24 werden die an beiden Enden der Eisenbasis bzw. des Eisenkerns 28 gebildeten Keilflächen 28 a in die Nuten 21 a eingefügt, und der Eisenkern 28 wird an der Klemmplatte 21 mit Hilfe der Befestigungselemente 30 befestigt, die an der Oberfläche der Klemmplatte 21 vorge sehen sind. Der Zwischenraum zwischen der Unterseite des Eisenkerns 28 und der Klemmplatte 21 ist sehr klein, so daß der Magnetkreis in keiner Weise dadurch beeinflußt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 17 und 18 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Ein Ablenkelektromagnet gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat eine obere und eine untere Spule 31 a und 32 a. Wie bei konventionellen Vorrichtungen haben diese Spulen 31 a und 32 a Bananenform. Der jeweilige Innen- und Außenradius ρ 1 und ρ 2 dieser Spulen sind Funktionen des Winkels R. Sie können somit geschrieben werden als ρ 1(R) und ρ 2(R) . Der Krümmungsradius ist in den Endabschnitten größer als in dem Mittenabschnitt der Ablenkspule.

Die jeweiligen Werte von ρ 1 und ρ 2 können also durch die folgenden Ungleichungen ausgedrückt werden:

ρ 1 (R = 0° oder 180°) <p 1 (R = 90°)
ρ 2 (R = 0° oder 180°) <ρ 2 (R = 90°).

Der Radius ρ 0 der stabilen Umlaufbahn liegt in folgendem Bereich:

Damit stimmt die Peak-Position der Magnetfeldverteilung in X-Richtung mit der Position von ρ 0 überein.

Den oberen und unteren Spulen 31 a und 32 a dieses Ablenk elektromagneten wurde Strom in m 1-Richtung zugeführt, und die Magnetfeldverteilung in R-Richtung wurde durch nume rische Berechnung erhalten. Fig. 19 zeigt die Rechenergeb nisse.

Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß der Peak der Magnet feldverteilung in X-Richtung des von der oberen und unteren Spule 31 a und 32 a erzeugten Magnetfeldes mit der stabilen Umlaufbahn 4 des Elektronenstrahls übereinstimmt, und zwar deshalb, weil der jeweilige Innen- und Außenradius ρ 1 und ρ 2 der oberen und unteren Spule 31 a und 32 a Funktionen von R sind.

Nachstehend wird die dritte Ausführungsform anhand von Beispielen erläutert.

Die dritte Ausführungsform entspricht den vorstehenden Ausführungsformen insofern, als zur Bildung eines Ablenk elektromagneten wenigstens ein Paar bananenförmige Spulen eingesetzt wird und der Krümmungsradius zwischen den jewei ligen Endabschnitten der Spulen und ihrem Mittenabschnitt verschieden ist. Wie oben angegeben, weist ein Ablenkelek tromagnet häufig einen Eisenkern auf, der die obere und die untere Spule 31 a und 32 a umgibt. Dieser Eisenkern dient als magnetische Abschirmung, um ein Streuen des von der oberen und unteren Spule 31 a und 32 a erzeugten Magnetfelds zur Außenseite des Ablenkelektromagneten zu verhindern. Da dieser Eisenkern normalerweise aus einem Werkstoff hoher Permeabilität besteht, resultiert dessen Magnetisierung in einer Verstärkung des zentralen Magnetfeldes. Infolgedessen kann bei Verwendung eines Eisenkerns die MMK der oberen und unteren Spulen geringer sein. Dies ist ein weiterer Grund für die Verwendung des Eisenkerns.

Das heißt aber nicht, daß die Verwendung eines Eisenkerns zu einer Verbesserung der Magnetfeldverteilung in einem Ablenkelektromagneten führt. Wie bei den obigen Ausfüh rungsbeispielen besteht daher die Tendenz, daß die Magnet feldverteilung in den Spulenendabschnitten ungeordnet ist.

Fig. 20 ist eine Perspektivansicht eines Ablenkelektroma gneten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der dritten Ausführungsform. Die Rücklaufjoche 22 des gezeigten Ablenk elektromagneten bestehen aus einem hochpermeablen Werk stoff. Normalerweise wird für die Rücklaufjoche ein Eisen werkstoff eingesetzt. Die Klemmplatten 21, die jeweils einen Hohlraum 23 haben, bestehen aus einem Eisenwerkstoff und sollen ein Streuen des Magnetfeldes in Richtung der stabi len Umlaufbahn 4 verhindern. Diese Anordnung wird bei der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung eben falls verwendet. An den Rücklaufjochen 22 sind Eisenkern nuten 44 vorgesehen, in die aus Eisen bestehende Einsatz platten 45 eingefügt sind. Nach dem Einfügen in die Kern nuten 44, die an vorbestimmten Einfügungsstellen liegen, werden diese Einsatzplatten 45 an den Rücklaufjochen mit Befestigungslaschen 46 befestigt.

Die Fig. 21-23 sind Schnitte XXI-XXI, XXII-XXII bzw. XXIII-XXIII nach Fig. 20. Diese Anordnung wurde geschaffen, um eine Änderung des magnetischen Widerstands der Rücklauf joche 22 zu ermöglichen. Dies erfolgt durch geeignetes Einfügen oder Entnehmen von Einsatzplatten 45. Wenn es also erwünscht ist, daß die Magnetfeldstärke in bestimmten Ab schnitten vermindert wird, werden die Einsatzplatten 45 dieser Abschnitte entnommen, wodurch der magnetische Wider stand in diesen Abschnitten der Rücklaufjoche 22 erhöht wird.

Wie das zweite Ausführungsbeispiel der dritten Ausführungs form der Erfindung (gemäß Fig. 24) zeigt, können ferner Justierplatten 47, die aus Eisen bestehende Einsatzplatten sind, vorher in die Rücklaufjoche 22 eingebaut werden. Wie das dritte Ausführungsbeispiel (gemäß Fig. 25) zeigt, kann jede Einsatzplatte 45 ein abgeschrägtes Ende haben, wodurch das Fehlermagnetfeld vermindert wird.

Während bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen die Einsatzplatten in die Kernnuten eingefügt werden, ist es auch möglich, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel (gemäß Fig. 26) Endzwischenräume 48 vorzusehen, die eine Kernnut bilden, wobei die Endabschnitte der Spulen eines Elektromagneten unabgedeckt bleiben. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn die Magnetfeldverteilung korrigiert wird, und zwar insbesondere bei der Korrektur der Magnetfeldver teilung in ρ-Richtung.

Die Erfindung bietet somit folgende Vorteile: Erstens wer den gemäß der ersten Ausführungsform Hohlräume im Eisenkern eines Ablenkelektromagneten gebildet, durch die eine Va kuumkammer verläuft, und in diesem Eisenkern sind kleine Spulen angeordnet, die den Eisenkern als Magnetbahn nützen und die Umlaufbahn für geladene Teilchen einstellen können, so daß es nicht erforderlich ist, gesonderte Führungsspulen vorzusehen. Stattdessen können die Führungsspulen im Eisen kern angeordnet sein. Die Justierung des Magnetfeldes kann somit in einfacher Weise vorgenommen werden, und die Größe der Gesamteinrichtung kann verringert werden. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Krümmungs radius eines oder mehrerer Paare von bananenförmigen Spulen eines Ablenkelektromagneten in den jeweiligen Spulenendab schnitten größer als in den Mittenabschnitten, wodurch die Magnetfeldverteilung auf der stabilen Umlaufbahn vergleich mäßigt wird. Gemäß der dritten Ausführungsform der Erfin dung hat der die Hauptspulen umgebende Eisenkern eine oder mehrere Nuten, die ihn in Dickenrichtung (also senkrecht zur stabilen Umlaufbahn) durchsetzen. Die Dicke des Eisen kerns wird an verschiedenen Stellen entlang der stabilen Umlaufbahn verschieden gemacht je nachdem, ob und wie tief Einsatzplatten in die jeweiligen Nuten eingesetzt sind, so daß ein Elektromagnet für einen Teilchenbeschleuniger erhalten wird, bei dem eine ideale Magnetfeldverteilung auf der stabilen Umlaufbahn erhalten wird. Außerdem ist zu sagen, daß insbesondere die erste und die dritte Ausfüh rungsform der Erfindung nicht auf Ablenkelektromagnete eines Teilchenbeschleunigers beschränkt sind, sondern für andere Arten von Elektromagneten in einem Teilchenbeschleu niger Anwendung finden können.

Claims

1. Elektromagnet für einen Teilchenbeschleuniger, gekennzeichnet durch
eine Hauptspule, die ein Paar oder mehr von Spulen (31 a, 32 a) umfaßt, zwischen denen eine stabile Umlaufbahn (4) für geladene Teilchen verläuft und die sich entlang der stabi len Umlaufbahn erstrecken;
einen aus Rücklaufjochen (22) bestehenden Eisenkern, der entlang der Hauptspule diese umgebend verläuft, wobei an beiden Enden der Rücklaufjoche (22) Klemmplatten (21) vor gesehen sind, die Hohlräume (23) aufweisen, durch die die stabile Umlaufbahn (4) für geladene Teilchen verläuft; und Führungsmagnete, die jeweils aus wenigstens einem Paar von Spulen (24) bestehen, die einander gegenüberliegend in jedem der Hohlräume (23) der Klemmplatten (21) vorgesehen und so angeordnet sind, daß die stabile Umlaufbahn (4) für geladene Teilchen zwischen ihnen verläuft.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte der Rücklaufjoche (22) des Eisen kerns, also diejenigen Abschnitte der Rücklaufjoche, die mit den Klemmplatten (21) verbunden sind, als verstärkte Endabschnitte zur Vergrößerung der Querschnittsfläche des Eisenkerns ausgebildet sind.

3. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der in den Hohlräumen (23) der Klemmplatten (21) vorgesehenen Führungsmagnete aus zwei Paaren von Führungs spulen (24) besteht, wobei jedes Paar Führungsspulen je weils entgegengesetzt zueinander und mit der stabilen Umlaufbahn (4) für geladene Teilchen dazwischen verlaufend angeordnet ist und wobei die beiden Paare Führungsspulen (24) in jedem Hohlraum (23) derart angeordnet sind, daß eine die Spulen des einen Paars miteinander verbindende Gerade rechtwinklig zu einer die Spulen des anderen Paars miteinander verbindenden Geraden verläuft.

4. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der in den Klemmplatten (21) gebildeten Hohlräume (23) eine Vierpolspule zu Fokussierung aufweist, die aus vier Vierpolmagnetpolen (27 a), die jeweils in den vier Ecken des Hohlraums (23) gebildet sind und einen vorsprin genden Abschnitt mit in Vertikalrichtung Hyperbelschnitt aufweisen, und jeweils um die Vierpolmagnetpole gewickelten Spulen (27) besteht.

5. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine Führungsmagnet-Befestigungsvorrichtung, bestehend aus wenigstens zwei Basisteilen (28) zur Halterung und Fest legung der Führungsspulen (24) der Führungsmagnete und aus an gegenüberliegenden Stellen in den Hohlräumen (23) gebil deten Paßabschnitten (21 a) mit der dazwischen verlaufenden stabilen Umlaufbahn (4) für geladene Teilchen.

6. Elektromagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Basisteil (28) eine Oberseite, auf der eine Füh rungsspule (24) festgelegt ist, eine Unterseite, die mit einem Randabschnitt eines jeweiligen Hohlraums (23) in Kontakt bringbar ist, und Seitenflächen an beiden Seiten aufweist, die gemeinsam mit der Unterseite Keile (28 a) bilden und in bezug auf die Unterseite unter einem Winkel von weniger als 90° verlaufen, wobei die in den Hohlräumen (23) gebildeten Paßabschnitte Nuten (21 a) aufweisen, die in enge Verbindung mit den Keilen (28 a) bringbar sind.

7. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet ein Ablenkelektromagnet ist.

8. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet ein supraleitender Elektromagnet ist.

9. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufjoche (22) aus einem Werkstoff hoher Perme abilität und die Klemmplatten (21) aus einem Eisenwerkstoff bestehen.

10. Ablenkelektromagnet für einen Teilchenbeschleuniger, gekennzeichnet durch eine Hauptspule mit einem Paar oder mehr von bananenförmi gen Spulen (31 a, 32 a), die jeweils aus einer äußeren und einer inneren Spule zur Bildung einer bananenförmigen Schleife bestehen, die entlang einer stabilen Umlaufbahn (4) für geladene Teilchen verläuft, wobei der Krümmungs radius der äußeren und der inneren Spule jeder bananenför migen Spule in ihren Endabschnitten größer als in ihren Mittenabschnitten ist.

11. Ablenkelektromagnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkelektromagnet ein supraleitender Elektro magnet ist.

12. Elektromagnet für einen Teilchenbeschleuniger, gekennzeichnet durch
eine Hauptspule aus einem Paar oder mehr Spulen, die entlang einer stabilen Umlaufbahn (4) für geladene Teilchen verlaufen und zwischen denen die stabile Umlaufbahn ver läuft; und
einen Eisenkern aus Rücklaufjochen (22), die entlang der Hauptspule verlaufen und diese umgeben, und aus an beiden Enden der Rücklaufjoche (22) vorgesehenen Klemmplatten (21), wobei die Dicke der Rücklaufjoche (22) an verschiedenen Positionen entlang der stabilen Umlaufbahn (4) verschieden ist oder wobei die Rücklaufjoche an vorbestimmten Stellen entlang der stabilen Umlaufbahn (4) Zwischenräume (48) auf weisen, und wobei die Klemmplatten (21) in ihren jeweiligen Mittenabschnitten Hohlräume (23) aufweisen, durch die die stabile Umlaufbahn (4) für geladene Teilchen verläuft;
wobei der magnetische Widerstand des Eisenkerns an ver schiedenen Positionen entlang der stabilen Umlaufbahn (4) verschieden ist.

13. Elektromagnet nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet ein Ablenkelektromagnet ist und daß die Hauptspule aus einem Paar oder mehr von bananenförmigen Spulen (31 a, 32 a) besteht, wobei die Dicke der Rücklauf joche (22) in ihren in Längsrichtung befindlichen Endab schnitten geringer als in ihren Mittenabschnitten ist oder die Zwischenräume (48) an den Enden der Rücklaufjoche (22) vorgesehen sind.

14. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Eisenkernnuten (44), die in einem Teil der Rücklaufjoche (22) ausgebildet sind, in die Eisenkern nuten (44) einzusetzende eiserne Einsatzplatten (45) und Befestigungselemente (46) zum Befestigen der Einsatzplatten (45) an den Rücklaufjochen (22), wobei die Einsatzplatten (45) in die Eisenkernnuten (44) bis zu einer vorbestimmten Tiefe eingesetzt sind.

15. Elektromagnet nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Einsatzplatten (45) in einer parallel zu der stabilen Umlaufbahn (4) verlaufenden Richtung und/oder in einer senkrecht zu der stabilen Umlaufbahn verlaufenden Richtung änderbar ist.

16. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 12-15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere eiserne Justierplatten (47), deren Dicke in einer zur stabilen Umlaufbahn (4) senkrechten Richtung unterschiedlich ist, in die in den Rücklaufjochen (22) vor gesehenen Zwischenräume eingebaut sind.

17. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 12-16, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet ein Ablenkelektromagnet ist.

18. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 12-17, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet ein supraleitender Elektromagnet ist.

19. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 12-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufjoche (22) aus einem hochpermeablen Werk stoff und die Klemmplatten (21) aus einem Eisenwerkstoff bestehen.