DE3010674C2 - Bandleiter zur Bildung von Polen für einen zur Ablenkung und/oder Fokussierung von Teilchenstrahlen dienenden, im Pulsbetrieb betreibbaren Dipol oder Multipol - Google Patents

Description

10. Bandleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

— daß an seinen Enden (6, 6') Anschlußbereiche (8) für Stromzuführungen (10) vorgesehen sind.

11. Bandleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

— daß dieser aus Kupfer besteht.

15 Die Erfindung betrifft einen Bandleiter gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Abbildung 3 der Fig. 1-18 von K. G.Steffen's »High Energy Beam Optics«, erschienen 1965 bei John Wiley & Sons Inc., New York, London, Sydney, Seiten 42—47, ist bereits ein theoretisches Bandleitermodell in Form einer länglichen Platte bekannt, das von einem unbegrenzten Eisenkern umgeben sein soll. Praktische Ausführungsformen für die in den fig. 1 — 18 beschriebenen theoretischen Fälle sind in den Fig. 1 — 19 dargestellt. Die Bandleiter sind dort in Form von Wicklungspaketen zwischen Polstücken aus Magneteisen untergebracht und beim Anlegen eines Gleichstroms ergeben sich dann Feldverteilungen, die in etwa den in Fig. 1 —5 dargestellten theoretischen Verteilungen entsprechen. Alle von Steffen beschriebenen Magnete sind Gleichstrommagnete, die eine möglichst homogene Stromverteilung in allen Spulenquerschnitten haben sollen. Sie dienen entweder zur strahloptischen Beeinflussung, nämlich Ablenkung und Fokussierung von Teilchenstrahlen. Für die Strahlablenkung nimmt man Dipole, während für die Strahlfokussierung Multipole höherer Ordnung, also Quadrupole, Sextupole oder Octupole herangezogen werden.

Von den Multipolen höherer Ordnung werden überwiegend magnetische Quadrupole zur Fokussierung verwendet, deren Polstücke bei Gleichstrombetrieb aus ferromagnetischem Material bestehen und durch ein Rückflußjoch verbunden sind. Das Magnetfeld wird mit Hilfe von stromdurchflossenen Spuler erzeugt, die wegen der erforderlichen hohen Leistung in der Regel mit Wasser gekühlt werden. Da Quadrupole nur in einer Ebene fokussieren, beispielsweise in der Horizontaloder Vertikalebene, ist zur vollständigen Fokussierung die Hintereinanderschaltung von zwei Quadrupolen notwendig. Beim Einsatz in einer Beschleunigeranlage wird deren Strahlführungsrohr zwischen den Polstükken des Quadrupole hindurchgeführt, wobei der Außendurchmesser des Strahlführungsrohres die kleinstmögliche Baugröße des Quadrupols insofern festlegt, als die Polstücke mit ihrem Joch und den Spulen das Strahlführungsrohr umgeben müssen. Dies führt zu Quadrupolabmessungen von etwa 0,2 bis 2 m Länge und 0,2 bis 1,5 m Durchmesser. Der hierfür erforderliche Platzbedarf stellt einen wesentlichen Nachteil von bekannten Quadrupolen dar. Das große Gewicht solcher Magnete von bis zu 20 t und deren hohe elektrische Leistungsaufnahme, die einige 100 kW betragen kann und vollständig in Wärme umgewandelt wird, stellen weitere wesentliche Nachteile dar.

Für die Teilchenstrahlbeeinflussung sind ferner auch bereits supraleitende Dipole und Quadrupole bekannt, bei denen konkav gekrümmte, supraleitende Platten, die aus einer Vielzald gegeneinander isolierter Leiter mit gleicher Stromrichtung bestehen, zur Erzeugung des Magnetfeldes verwendet werden. Die supraleitenden Dipole und Quadrupole haben keine ferromagnetischen Polstücke. Ihre Spulen sind so angeschlossen, daß der Stromfluß in den Leitern zweier benachbarter Platten in entgegengesetzten Richtungen erfolgt Die Zwischenräume der Platten entsprechen den Polen eines bekannten Eisenkern-Multipols. Ein Nachteil des supraleitenden Platten-Multipois liegt in dem immer noch großen Energiebedarf zur Aufrechterhaltung der Supraleitung sowie in dem dazu erforderlichen erheblichen technisehen Aufwand.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen plattenförmigen Bandleiter, insbesondere für einen Multipol, derart weiterzubilden, daß mit Hilfe des Band'.eiters aufgebaute Vorrichtungen von wesentlich geringerer Leistungsaufnahme, geringerem Bauaufwand und geringeren Abmessungen herstellbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen.

Dadurch wird erreicht, daß ein aus den gezahnten Bandleitern aufgebauter Multipol im Pulsbetrieb betreibbar ist, was eine wesentliche Leistungseinsparung zur Folge hat Bei Quadrupolen, wie sie bei DESY verwendet werden, beträgt die Leistungseinsparung bis zu 99%. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die (bei DE-SY) beschleunigten Teilchenpakete nur etwa 1 Nanosekunde lang sind, während der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Teilchenpaketen 240 msec beträgt. Das Magnetfeld des Quadrupols wird somit alle 240 msec lediglich 1 Nanosekunde lang ausgenützt; in der übrigen Zeit könnte es fehlen. Bei einer Quadrupol-Pulsdauer von 5 Mikrosekunden ergibt dies die oben erwähnte Leistungseinsparung von etwa 99%.

Da aber bei gepulsten Bandleitern ein elektrischer Skineffekt auftritt ist die Stromdichte und damit das sich daraus ergebende magnetische Feld an den Rändern des Bandleiters wesentlich größer als in der Mitte, was entgegen der geforderten hochgenauen, gleichmäßigen Stromdichteverteilung eine ungleichmäßige Verteilung zur Folge hat Durch an den Längsrändern des Bandleiters vorgesehene Einschnitte wird jedoch erreicht, daß der Strom zur Bandleitermitte hin gedrängt wird, so daß sich die gewünschte gleichmäßige Stromverteilung ergibt Aufgrund des Skineffektes folgen nämlich die Stromvektoren dem Verlauf der Längskante, wobei im Bereich eines Einschnittes und eines den Einschnitt begrenzenden Zahnes jeweils zwei Stromvektoren in Längsrichtung des Bandleiter? und zwei quer dazu verlaufen. Die in Längsrichtung verlaufenden und abwechselnd an der Zahnspitze und im Bereich des Zahnfußes liegenden Vektoren sind gleichgerichtet, wobei die im Bereich des Zahnfußes liegenden Vektoren eine zur Mitte des Bandleiters verschobene Feldverteilung bewirken. Die quer zur Bandleiterlängsachse verlaufenden Stromvektoren sind paarweise entg^gengesetzt gerichtet und löschen einander aus. Zur Felderzeugung tragen somit nur die in Bandleiterlängsrichtung verlaufenden, parallelen Stromvektoren bei.

Vorzugsweise sind die Einschnitte senkrecht zur Bandleiterlängsachse angeordnet, so daß die Querkomponenten senkrecht zu den Längskomponenten stehen. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, sondern es kommt nur darauf an, daß sieb im Mittel alle nicht parallel zur Bandleiterlängsachse verlaufender« Komponenten auslöschen. Zur Erzielung einer zur Bandleitermitte gerichteten Feldverlagerung eines gepulsten Bandleiters brauchen die Einschnitte auch nicht gleichmäßig über die Bandleiterlänge verteilt zu sein.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen Bandleiter ist die Streifenleitertechnik, die beim Aufbau von Höchstfrequenzschpdtkreisen angewandt wird. Derartige HF-Schaltkreise werden bei Sendern sowie in Beschleunigeranlagen (zur Anzeige der Teilchenstrahllage) eingesetzt. Die hierbei verwendeten Streifenleiter sind in hochgenauer geometrischer Anordnung leitfähig bedämpfte Keramikplatten.

Der erfindungsgemäße Bandleiter läßt sich ferner in vorteilhafter Weise in der Plasmaphysik für den Bau von Leiteranordnungen mit genau vorgegebenen Magnetfeldverteilungen und genau vorgegebenen Induktivitäten verwenden.

Impulstransformatoren stellen ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung dar.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher dargestellt; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Teildarstellung eines Bandleiters;

. Fig.2 eine resultierende Stromvektorenverteilung auf dem Bandleiter gemäß F i g. 1;

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführung des Bandleiters;

F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen Quadrupol mit Bandleitern gemäß F i g. 3;

F i g. 5 einen Schnitt entlang der Linie A-A in F i g. 4;

Fig.6 eine perspektivische Schemadarstellung von zu einem Quadrupol zusammengeschlossenen Bandleitern;

Fig.7a eine schematische Darstellung der Bandleiterverbindung an einem Ende des Quadrupols gemäß F i g. 4 und 5;

F i g. 7b die Verbindung der Bandleiter am anderen Ende der Darstellung gemäß F i g. 7a; und

F i g. 8 eine Schaltung zum Ansteuern eines gepulsten Quadrupols.

F i g. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Bandleiters 2, der mit Einschnitten 4 und zwischen den Einschnitten 4 liegenden Zähnen 5 versehen ist. Die Einschnitte 4 haben eine Breite b, während die Zähne 5 eine Zahnbreite a besitzen. Die Tiefe der Zähne 5 ist als Zahntiefe r bezeichnet, während die Plattenbreite des Bandleiters 2 mit B angegeben ist. In einer Ausführung der Erfindung sind die Einschnitte 4 senkrecht zur Längsachse des Bandleiters 2 an dessen Längskanten 3 vorgesehen, wobei die Breite b der Einschnitte 4 größer als die Zahnbreite a ist. Das Verhältnis von Zahnbreite a zu Einschnittbreite b ist jedoch ebenso wie die Zahntiefe ί frei wählbar.

Wird der in F i g. 1 dargestellte Bandleiter 2 mit Stromimpulsen versorgt, so ergibt dies aufgrund des bekannten Skineffektes eine durch die Pfeile in F i g. 1 angedeutete Stromvektorenverteilung, die dem Verlauf des Längsrandes des Bandleiters 2 folgt und die Form eines Mäanders hat. Die Stromvektoren sind durch Pfeile angedeutet. Man erkennt in F i g. 1, daß die Stromvektoren I_v an der Zahnspitze der Zähne 5 sowie im Bereich des jeweiligen Zahnfußes parallel verlaufen, während die an den Zahnflanken liegenden Stromvektoren antiparallel gerichtet sind. Diese antiparallelen Stromvektoren heben sich gegenseitig auf, und es verbleibt lediglich

die in Fig.2 erkennbare Verteilung der parallelen Stromvektoren. F i g. 2 zeigt somit deutlich, daß für den Pulsbetrieb eine auch in der Bandleitermitte wirksame Stromdichteverteilung erreicht werden kann, wenn der Bandleiter mit quer zu seiner Längserstreckung verlaufenden Einschnitte versehen ist.

F i g. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Bandleiter 2, bei dem die Einschnitte 4 deutlich erkennbar sind. In dieser für einen Quadrupol gemäß F i g. 4 bis 7 bestimmten Ausführung ist das Verhältnis von Einschnittbreite b zu Zahnbreite a etwa 2,5, während die Zahntiefe t etwa ein Drittel der Bandleiterbreite B ausmacht. An den Enden des Bandleiters 2 sind ferner Anschlußbereiche 8 für die Herstellung einer mechanischen Verbindung zu Stromzuführungen 10 erkennbar.

F i g. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Quadrupol als magnetische Linse für Teilchenstrahlen, bei dem in einem Strahlführungsrohr 1 vier längliche Bandleiter 2 untergebracht sind. Die Bandleiter 2 erstrecken sich in Längsrichtung des Strahlführungsrohres 1 und weisen an ihren Enden 6 und 6' Anschlußbereiche 8 für das Anschließen der Stromzuführungen 10 auf. Die Stromzuführungen 10 sind über Durchführungsflansche 15 aus dem Strahlführungsrohr 1 nach außen geführt und dienen gleichzeitig zur Halterung der Bandleiter 2. Die Durchführungsflansche 15 dichten die Stromzuführungen 10 gegenüber dem Innenraum des Strahlführungsrohres 1 hochvakuumdicht ab. An den Enden des Strahlführungsrohres 1 sind Anschlußflansche 13 für den Anschluß eines Strahlführungsrohrabschnittes oder einer weiteren strahloptischen Anordnung vorgesehen.

Fig.5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A durch den Quadrupol gemäß F i g. 4, wobei die gegenüber der Quadrupolachse konkave Krümmung der Bandleiter 2 sowie deren Aufhängung an den Stromzuführungen 10 erkennbar ist. Zur Erzeugung eines fokussierenden Magnetfeldes werden die Stromzuführungen 10 auf die in F i g. 7 gezeigte Weise miteinander verbunden, so daß der Stromfluß zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Bandleitern 2 jeweils in entgegengesetzter Richtung erfolgt. Die Pole liegen dann zwischen den Bandleiterplatten, und zwar in Umfangsrichtung abwechselnd jeweils ein Nordpol und ein Südpol. F i g. 5 zeigt außerdem deutlich den geringen Platzbedarf eines ungekühlten Quadrupols mit plattenförmigen Bandleitern 2.

F i g. 6 zeigt in schematischer, perspektivischer Darstellung einen mit gezahnten Bandleitern 2 aufgebauten Quadrupol, wobei an den Enden 6 und 6' die Art der Verbindung benachbarter Bandleiter 2 durch Leiterverbindungen 11 erkennbar ist Unter Verwendung der Übereinkunft, daß die in F i g. 5 dargestellten Bandleiter 2 als oberer, rechter, unterer und linker Bandleiter bezeichnet werden, sind in F i g. 6 die hinteren Enden 6' des oberen und des rechten Bandleiters sowie des unteren und des linken Bandleiters über die Leiterverbindungen 11 miteinander verbunden, während am vorderen Ende 6 die Leiterverbindungen 11 den rechten Bandleiter mit dem unteren Bandleiter verbindet. Am vorderen Ende 6 sind die Stromanschlüsse an dem oberen sowie an dem linken Bandleiter vorgesehen. Unter der Annahme, daß der Strom / in den oberen Bandleiter hineinfließt, ergibt sich aufgrund der beschriebenen und dargestellten Verbindung der Bandleiter im oberen und unteren Bandleiter ein Stromfluß in Richtung auf das hintere Ende 6' und im rechten sowie linken Bandleiter ein Stromfluß in Richtung auf das vordere Ende 6 der Bandleiter 2.

F i g. 7a zeigt in einer schematischen Vorderansicht die Verbindung der Bandleiter in einem Quadrupo! gemäß den F i g. 4 bis 6 zur Erzielung eines in benachbarten Bandleitern antiparallelen Stromflusses gemäß F i g. 6. F i g. 7b zeigt eine schematische Rückansicht des Quadrupols gemäß den F i g. 4 bis 6, in der die Bandleiterverbindung am anderen Ende des Quadrupols erkennbar ist.

Fig.8 zeigt eine Schaltung zur Ansteuerung eines mit gezahnten Platten aufgebauten Quadrupols gemäß den F i g. 1 bis 3, wobei die Platten 2 als Induktivität Lquad dargestellt sind. Die an den Quadrupol angeschlossene Stromquelle ist mit Uo bezeichnet. Vor der Quadrupolinduktivität liegt ein Thyratron 17, das kurz vor dem Eintritt eines Teilchenpakets in den Quadrupol aufgesteuert wird und eine Umladung des Kondensators C über die Platten des Quadrupols Lquad erlaubt. Nach dem Sperren des Thyratrons 17 erfolgt wieder eine Umladung des Kondensators Cüber eine Diode D_R und eine Induktivität Lr in den ursprünglichen Zustand, so daß die Spannungsquelle uo nach anfänglicher Aufladung des Kondensators C lediglich zum Ausgleich von Verlusten dient. Es ist klar, daß anstelle des Thyratrons auch ein Thyristor verwendet werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Bandleiter eines Ablenkungs- oder Fokussierungsmagneten s

— mit Längsksst&n (3) und mit Enden (6,6'), durch welche die Längskanten (3) verbunden sind,

— für einen zur Ablenkung und/oder Fokussierung von Teilchenstrahlen dienenden Dipol oder Multipol, insbesondere Quadrupol,

— bei dem der Bandleiter die Form einer sich in Strahlrichtung der Teilchenstrahle»! erstreckenden, elektrisch leitfähigen Platte (2) hat.

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Platte (2) entlang der Längskanten (3) mit Einschnitten (4) versehen ist.

2. Bandleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Einschnitte (4) in regelmäßigen Abständen entlang der Längskanten (3) angeordnet sind.

3. Bandleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß alle Einschnitte (4) die gleiche Breite (b) haben.

4. Bandleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Breite (b) der Einschnitte (4) größer als die Zahnbreite (a) von zwischen benachbarten Einschnitten (4) gebildeten Zähnen (5) ist.

5. Bandleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Breite (b) der Einschnitte (4) 1,5 bis 3,5mal vorzugsweise 2 bis 3mal, insbesondere 2,5mal größer als die Zahnbreite (a) ist.

6. Bandleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Zahntiefe (t) V₄ bis V₃ der Plattenbreite fs; beträgt.

7. Bandleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Einschnitte (4) senkrecht zu den Längskanten (3) verlaufen.

8. Bandleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

— daß dieser in Querrichtung gekrümmt und/oder profiliert ist.

9. Bandleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Krümmung einem Kreisbogen entspricht