DE4000666C2 - Elektromagnetanordnung für einen Teilchenbeschleuniger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektromagnetanordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der gattungsbildenden DE 37 04 442 A1 ist eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung mit supraleitenden Spulen gezeigt, die einen supraleitenden Magneten bilden.

Im einzelnen weist dort eine supraleitende Ablenkspule eine Ab­ schirmung auf, welche unmittelbar an einem Ende der supraleitenden Spule befestigt ist. Diese Abschirmung ist abnehmbar und kann aus mehreren Teilen oder Elementen bestehen.

Die erwähnte Abschirmung dient der Reduzierung des magnetischen Streuflusses, um zu verhindern, daß entlang der Umlaufbahn angeordnete Quadrupolmagnete hinsichtlich ihrer gewünschten Korrekturwirkung beeinträchtigt werden.

Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die bekannte Elektromagnetanordnung so weiterzubilden, daß eine kompaktere Bauform für die Anwendung in einem Teilchenbeschleuniger erreicht wird und daß gleichzeitig eine zuverlässige Justierung des Teilchenstrahles auf einer stabilen Umlaufbahn gewährleistet ist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand nach den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Die Erfindung bietet folgende Vorteile: Es werden Hohlräume in den Abschirmplatten des Eisenkerns eines Ablenkelektromagneten gebildet, durch die eine Vakuum­ kammer 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. Statt dessen können die Führungsspulen im Eisenkern angeordnet sein. Die Justierung des Magnetfeldes kann somit in einfacher Weise vorgenommen werden, und die Größe der Gesamteinrichtung kann verringert werden.

Die Erfindung soll anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Ablenkelektromagneten gemäß einem Ausführungsbeispiel, der mit Führungsmagneten ausgestattet und in einem Teilchenbeschleuniger verwendbar ist;

Fig. 2 einen Schnitt IX-IX von Fig. 1;

Fig. 3 eine größere Perspektivansicht eines verstärkten Endabschnitts des Ablenkmagneten von Fig. 2;

Fig. 4 eine teilweise Vorderansicht eines Führungs­ magneten, der in einem Ablenkelektromagneten gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgesehen ist;

Fig. 5 einen Schnitt XII-XII von Fig. 4;

Fig. 6 eine teilweise Vorderansicht eines Vierpol- Fokussierelektromagneten, der in einem Ablenkelektromagneten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen ist;

Fig. 7 einen Schnitt XIV-XIV nach Fig. 6;

Fig. 8 eine perspektivische Explosionsansicht eines Führungsmagneten, der an einem Ablenkelektromagneten zu befestigen ist;

Fig. 9 eine teilweise Vorderansicht des Führungsmagneten von Fig. 8 nach der Montage.

Fig. 1 zeigt einen Ablenkelektromagneten gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der gezeigte Elektromagnet weist Abschirmplatten 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 Abschirmplatten 21 gebildete Hohlräume 23 verläuft, wobei die geladenen Teilchen 17 sich auf der stabilen Umlaufbahn 4 bewegen, die Rennbahnkonfiguration hat. Führungsspulen 24, die Führungs­ magnete bilden, sind über und unter jedem Hohlraum 23 vorgesehen.

Fig. 2 ist ein Schnitt IX-IX von Fig. 1 entlang der die stabile Umlaufbahn 4 einschließenden Ebene. Mit 31a und 32a 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 31a und 32a erzeugen ein Magnetfeld, das zu der Ebene von Fig. 2 senkrecht ist, so daß die geladenen Teilchen 17 abgelenkt werden können und die stabile Umlaufbahn 4 gekrümmt werden kann. Die Endabschnitte der Rücklaufjoche 22 sind teilweise verdickt zur Bildung verstärkter Endabschnitte 25. Dadurch wird die Querschnittsfläche des Eisenkerns dort, wo er mit den Abschirmplatten 21 verbunden ist, größer gemacht.

Die Abschirmplatten 21 dienen dem Zweck, zu verhindern, daß das von dem Elektromagneten 3 erzeugte Magnetfeld als Streumagnetfeld die mit diesem Elektromagneten 3 in Kontakt befindlichen Bauteile beeinflußt. Durch die von den Abschirmplatten 21 gebildete magnetische Abschirmung ist das durch den Ablenkelektromagneten 3 vorhandene Streufeld in den Ab­ schnitten der stabilen Umlaufbahn 4 vor diesen Abschirmplatten nahezu nicht vorhanden. Die beiden Führungsspulen 24, die jeden Hohlraum 23 der Abschirmplatten 21 umgebend angeordnet sind, erzeugen ein Magnetfeld, dessen Hauptkomponente senkrecht 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 Feineinstellung der stabilen Umlaufbahn 4 bewirkt. Diese Funktion ist mit derjenigen von konventionellen Führungsmagneten identisch. Es ist jedoch zu beachten, daß der erforderliche Magnetkreis nicht nur durch die Rücklaufjoche, sondern auch durch die Abschirmplatten 21 gebildet ist, die an dem Ablenkelektromagneten 3 befestigt sind. Das heißt, die Abschirmplatten 21 dienen nicht nur zur magnetischen Ab­ schirmung, sondern haben außerdem die Funktion eines Rücklaufjochs und bilden den Magnetkreis eines Führungsmagneten.

Fig. 3 ist eine teilweise weggebrochene perspektivische Schnittdarstellung der verstärkten Endabschnitte des Ablenk­ elektromagneten 3. Magnetfeldlinien 26 bezeichnen das Magnetfeld, das erzeugt wird, wenn den oberen und unteren Spulen 31a und 32a der Hauptspule Strom zugeführt wird. Dort, wo die Magnetfeldlinien 26 dicht sind, ist das Magnetfeld relativ stark, und wo die Magnetfeldlinien 26 geringe Dichte aufweisen, ist das Magnetfeld relativ schwach. In Fig. 3 ist die Änderung der Dichte der Magnet­ feldlinien 26 entsprechend dem Ergebnis einer nichtlinearen dreidimensionalen quantitativen Analyse des Magnetfelds einschließlich der Rücklaufjoche 2 sichtbar gemacht.

Die Querschnittsfläche der Rücklaufjoche 22 und ihrer ver­ stärkten Endabschnitte 25 ist größer als die Querschnittsfläche der Abschirmplatten 21. Infolgedessen ist der magnetische 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 Abschirmplatten 21 verschiedenen Bereichen konzentrieren. Mit anderen Worten heißt das, daß das Magnetfeld um die Abschirmplatten 21 herum ziemlich schwach ist, so daß auch mit dünnen Abschirmplatten ein ausreichender magnetischer Abschirmeffekt erzielbar ist. Infolgedessen können die Abschirmplatten relativ dünn gemacht werden, so daß der in Richtung der stabilen Umlaufbahn 4 vorzusehende Raum klein sein kann. Infolgedessen kann der für den Einbau einer Anzahl Vorrichtungen in der Richtung der stabilen Umlaufbahn 4 verfügbare Raum ver­ größert werden. Somit kann ein kleiner Teilchenbeschleuniger, z. B. ein kleiner Teilchenbeschleunigungsring oder ein kleiner Teilchenspeicherring, realisiert werden.

Bei dem in der dreidimensionalen Magnetfeldanalyse ver­ wendeten Modell betrug die Breite W3 der Rücklaufjoche 22 450 mm, und die Abmessungen L1, L2 der verstärkten Endabschnitte 25 betrugen 300 mm. Dagegen betrug die Breite W4 der Klemmplatten 21 nur 150 mm, d. h. ein Drittel der Breite W3 der Rücklaufjoche 22. Das Resultat der Magnetfeldanalyse zeigte, daß bei einer Magnetflußdichte von 4,5 T des zentralen Magnetfeldes der oberen und unteren Spule 31a und 32a der Hauptspule das Streumagnetfeld vor den Abschirmplatten 21 im wesentlichen Null war, so daß ein ausreichender Magnet­ feld-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 vorgesehen sein. In diesem Fall wird von jedem Paar Führungsspulen 24 ein horizontales Magnetfeld erzeugt, das in derselben 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 fein eingestellt.

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. 4 und 5 zeigen (die ein zweites Ausführungsbeispiel 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. 6 ist eine teilweise Seitenansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt, und Fig. 7 ist ein Schnitt XIV-XIV von Fig. 6. Dabei sind vier Vierpolmagnetpole 27a vorgesehen, die von der gleichen Anzahl Vierpolspulen 27 umgeben sind. Der vorspringende Teil jedes Vierpolmagnetpols 27a hat Hyperbelform. Die Vierpolspulen 27 und die Vierpolmagnetpole 27a bilden zu­ sammen mit dem die Vierpolmagnetpole 27a umgebenden Teil der Abschirmplatte 21 einen Vierpolelektromagneten für die Fokussierung geladener Teilchen 17.

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

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind Führungsspulen 24 und Vierpolspulen 27 direkt an Abschnitten um den Hohlraum 23 jeder Klemm­ platte 21 herum angeordnet; die Hohlräume 23 können aber in manchen Fällen kleiner sein, was von der Auslegung der Führungs­ magnete 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. 8 soll dieses Problem beseitigen.

In Fig. 8 bezeichnet 28 eine Eisenbasis, deren beide End­ abschnitte als Keile 28a ausgebildet sind, wobei die Bodenfläche der Eisenbasis 28 in bezug auf ihre Seitenflächen einen Winkel von weniger als 90° bildet. Eine Führungsspule 24 ist auf der Oberseite der Eisenbasis 28 mit Befesti­ gungselementen 29 befestigt. Die Eisenbasis 28 wird in Nuten 21a eingesetzt, die die Paßteile an der Seite der Klemmplatte 21 bilden, und in diesen Nuten befestigt. Wie Fig. 9 zeigt, ist die Eisenbasis 28 an der Abschirmplatte 21 mit Befestigungselementen 30 festgelegt.

Nachstehend wird die Montagefolge des Ausführungsbeispiels der Fig. 8 und 9 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 Abschirmplatte 21 als getrennte Bauelemente hergestellt sind. Somit kann die Führungsplatte 24 auf der Eisenbasis 28 befestigt werden, bevor letztere an der Abschirmplatte 21 montiert wird. Nach der Montage der Führungsspule 24 werden die an beiden Enden der Eisenbasis bzw. des Eisenkerns 28 gebildeten Keilflächen 28a in die Nuten 21a eingefügt, und der Eisenkern 28 wird an der Abschirmplatte 21 mit Hilfe der Befestigungselemente 30 befestigt, die an der Oberfläche der Abschirmplatte 21 vor­ gesehen sind. Der Zwischenraum zwischen der Unterseite des Eisenkerns 28 und der Abschirmplatte 21 ist sehr klein, so daß der Magnetkreis in keiner Weise dadurch beeinflußt wird.

Claims (7)

1. Elektromagnetanordnung für einen Teilchenbeschleuniger zur bogenförmigen Ablenkung von auf einer Umlaufbahn befindlichen geladenen Teilchen mit einem bogenförmigen Ablenkmagneten (3), umfassend

• - eine Hauptspule, die mindestens ein Paar von Spulen (31a, 32a), aufweist, die entlang eines Abschnittes der Umlaufbahn (4) der geladenen Teilchen angeordnet sind und zwischen denen die Umlaufbahn (4) für die geladenen Teilchen verläuft, und
• - magnetische Abschirmplatten (21), die im Bereich der beiden Enden der Spulen (31a, 32a) vorgesehen sind, wobei die Abschirmplatten (21) Hohlräume (23) aufweisen, durch welche die sich auf der Umlaufbahn (4) bewegenden geladenen Teilchen hindurchtreten, dadurch gekennzeichnet,
  daß die Spulen (31a, 32a) der Hauptspule von Eisenkern-Rücklaufjochen (22) umgeben sind, die entlang der Spulen (31a, 32a) verlaufen,
  daß die magnetischen Abschirmplatten (21) an den beiden Enden der Eisenkern-Rücklaufjochs (22) befestigt sind und ein Teil des von den Rücklaufjochen (22) gebildeten Magnetkreises sind, und daß
  in jedem der Hohlräume (23) der Abschirmplatten (21) Führungsmagnete angeordnet sind, die mindestens ein Paar von einander gegenüberliegenden Führungsspulen (24; 27) zur Korrektur der Umlaufbahn aufweisen.

2. Elektromagnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Abschirmplatten (21) verbundenen Endabschnitte der Rücklaufjoche (22) als verstärkte Endabschnitte (25) mit vergrößerter Querschnittsfläche des Eisenkerns ausgebildet sind.

3. Elektromagnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (W3) der Rücklaufjoche (22) im wesentlichen größer als die Dicke (W4) der Abschirmplatten (21), insbesondere um einen Faktor 3 größer ist.

4. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Hohlräume (23) der Abschirmplatten (21) zwei Paare von Führungsmagneten mit Führungsspulen (24) angeordnet sind, die einander paarweise gegenüberliegen und zwischen denen die Umlaufbahn (4) der geladenen Teilchen hindurchgeht, wobei die Paare von Führungsspulen (24; 27) jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind.

5. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsmagnete in jedem der Hohlräume (23) der Abschirmplatten (21) vier Vierpolmagnete (27a) aufweisen, die von der gleichen Anzahl von Vierpolspulen (27) umgeben sind, und daß die Vierpolmagnete (27a) in den Ecken des jeweiligen Hohlraumes (23) angeordnet sind und einen in den Hohlraum (23) vorspringenden Abschnitt aufweisen, der im Vertikalschnitt eine Hyperbelform besitzt.

6. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Führungsmagnet-Befestigungsvorrichtung, die zur Halterung der Führungsspule (24, 27) ein Basisteil (28) sowie korrespondierende Paßabschnitte (21a) an gegenüberliegenden Stellen in den Hohlräumen (23) in den Abschirmplatten (21) aufweist.

7. Elektromagnetanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Basisteil (28) eine Oberseite, auf der eine Führungsspule (24, 27) befestigt ist, eine Unterseite, die mit einem Randbereich des jeweiligen Hohlraumes (23) in Kontakt bringbar ist, und an beiden Seiten Seitenflächen aufweist, die gemeinsam mit der Unterseite Keile (28a) bilden und die in bezug auf die Unterseite unter einem Winkel von weniger als 90° verlaufen, wobei die in den Hohlräumen (23) gebildeten Paßabschnitte Nuten (21a) aufweisen, mit denen die Keile (28a) in Eingriff bringbar sind.