EP0348403B1 - Magnetisches ablenksystem für geladene teilchen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein magnetisches Ablenksystem für geladene Teilchen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Für die Führung von Teilchenstrahlen auf Kreisbahnen, insbesondere in einem Synchrotron oder Massenspektrometer, sind hohe Magnetfeldstärken nötig, die mit speziell geformten Biegemagneten erzeugt werden.
• Der Ablenkradius r₀ ist eine Funktion des Teilchenimpulses

  

  und des Magnetfeldes

  

  . Es gilt

  

  
  mit q als der Ladung des Teilchens, p=|

  

  | und B=|

  

  |.
• Bei vorgegebenem Teilchenimpuls muß zum Erzeugen kleiner Ablenkradien r₀ das Magnetfeld möglichst groß sein. Bei Eisenmagneten liegt aber eine technisch realisierbare Grenze bei 1,8 T. Höhere Felder sind mit supraleitenden Spulen erreichbar.
• Einzelheiten des Aufbaus und der Arbeitsweise derartiger Ablenksysteme sind z.B. der Veröffentlichung KfK 3976, September 1985, ISSN 0303-4003, mit dem Titel "Entwurf einer Synchrotronstrahlungsquelle mit supraleitenden Ablenkmagneten für die Mikrofertigung nach dem LIGA-Verfahren" zu entnehmen.
• Darin sind Spulenkonzepte für supraleitende Ablenkmagnete beschrieben, bei denen das senkrecht auf der Sollbahnebene stehende magnetische Führungsfeld mit Spulen erzeugt wird, deren Windungsflächen parallel zur Sollbahnebene angordnet sind. Die Windungsflächen weisen zwei lange, parallel zur Teilchenbahn verlaufende und zwei kurze, die Teilchenbann überquerende Seiten auf. Das erforderliche Magnetfeld wird von elektrischen Strömen erzeugt, die parallel zur Teilchenbahn verlaufen. Die die Teilchenbahn überquerenden Ströme bewirken eine Feldüberhöhung mit ausschließlicher Feldumkehr. Beides verursacht eine starke Bahnstörung. Dieser Effekt ist umso größer, je näher die Wickelpakete an die Teilchenbahn herangeführt werden. Die Bahnstörungen werden reduziert, indem die die Teilchenbahn überquerenden Wicklungsbereiche von der Sollbahnebene weggeführt werden. Dabei ergeben sich komplizierte Spulengeometrien mit beträchtlichen Fertigungsproblemen, insbesondere bei Verwendung von Supraleitern. Weiter wird in der DE-A 2 318 507 die Fertigung langgestreckter, sattelartig geformter, auf der Außenseite eines hohlzylindrischen Körpers anliegenden Spulen bzw. Teilspulen und dabei insbesondere die Herstellung der über die Teilchenbahn führenden, unverrückbare Spulenenden bzw. Wickelköpfe beschrieben. Hierbei muß zur Fertigung ein erheblicher mechanischer Aufwand angewendet werden, um die Spulenenden eben unverrückbar in ihrer Lage zu halten. Supraleitende Spulen werden nach dem Vorspannungsprinzip hergestellt, um eine Leiterbewegung zu verhindern, die als eine der einen Quench auslösenden Ursachen gilt. Bei den hier betrachteten Spulen nach dem Stande der Technik durchläuft ein die Windungsfläche umschließender Leiter einen äußeren Radius > r₀ und einen inneren Radius < r₀, wobei r₀ den Ablenkradius darstellt. Im Bereich des inneren Radius kann beim Wickeln der Spule keine Vorspannung aufgebracht werden. Demzufolge muß die Vorspannung durch eine Umklammerung des Spulensystems erfolgen. Bei einem Synchrotron wird aber eine Anordnung gefordert, bei der das erzeugte Synchrotronlicht in der Ebene der Umlaufbahn der Teilchen tangential aus dem Magnetsystem austreten kann. Demzufolgen dürfen nur Klammern eingesetzt werden, die das Spulensystem nicht vollständig umschließen.
• Solche Klammerelemente sind aus der DE-C-35 11 282 bekannt. Darin wird ein supraleitendes Magnetsystem für Teilchenbeschleuniger einer Synchrotron-Strahlungsquelle beschrieben, bei dem die Windungsflächen der Spulen parallel zur Sollbahnebene angeordnet sind und die Windungen die Teilchenbahn überqueren.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetkonzept für das eingangs genannte magnetische Ablenksystem anzugeben, das unter Reduzierung des konstruktiven Aufwandes realisiert werden kann und durch eine einfache Fertigungstechnik den Einsatz supraleitender Spulen erleichtert.
• Die Aufgabe wird mittels der im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.
• Die durch die erfindungsgemäße Spulenanordnung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß die Spulen nach dem Vorspannungsprinzip gefertigt werden können, indem der Leiter in herkömmlicher Technik mit Zugspannung gewickelt wird und die Wickelpakete an den Magnetenden nicht über die Teilchenbahn geführt werden. Außerdem steht zum Herausführen der Synchrotronstrahlung ein ausreichend großer Spalt zur Verfügung, ohne auf Klammern verzichten zu müssen, wenn diese nicht ohnehin aufgrund der Wickeltechnik überflüssig sein sollten.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Dabei zeigt
• Fig. 1 eine 3-dimensionale Darstellung eines aus 4 Spulen bestehenden Magnetsystems,
• Fig. 2 einen Schnitt in der (x,y)-Ebene aus Fig. 1 und
• Fig. 3 ein Wickelpaket, das aus einem Doppelpancake besteht.
• Gemäß Fig. 1 besteht das magnetische Ablenksystem aus 4 Spulen 1, 2, 3, 4, deren räumliche Anordnung anhand des eingezeichneten (x,y,z)-Koordinatensystems erkennbar ist. Die Sollbahnebene S_E liegt in der (x,z)-Ebene, in der die Ablenkbahn zwischen den Spülen und parallel zu diesen den Koordinatensprung durchläuft. Die Windungsflächen mit der der Sollbahn angepaßten Krümmung r ≷ r₀ sind senkrecht zur Sollbahnebene S_E ausgerichtet.
• Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Spulensystem in der (x,y)-Ebene. Schematisch ist die vom magnetischen Führungsfeld und dem Ablenkradius r₀ aufgespannte Fläche A₀ gezeigt, die senkrecht die in der (x,z)-Ebene liegende Sollbahnebene S_E schneidet. Beidseitig der Fläche A₀ sind die Spulen 1, 2, 3, 4 so angeordnet, daß sie die Fläche A₀ nicht schneiden. Die Windungsflächen der Spulen 1, 2, 3, 4 sind, wie hier dargestellt, parallel zur Fläche A₀ ausgerichtet.
• Fig. 3 zeigt eine Wicklung des Ablenksystems, die aus einem Doppelpancake besteht. Es handelt sich um eine Wickeltechnik, die vorzugsweise bei der Herstellung supraleitender Wicklungen angewandt wird. Die Wickelscheibe 5 mit dem kleineren Krümmungsradius r₁ ≷ r₀ wird zuerst hergestellt und sützt beim Wickeln die zweite Wickelscheibe 6 mit dem Krümmungsradius r₂ > r₁. Dabei kann der Leiter immer unter Zug gewickelt werden. Nach Bedarf können mehrere Doppelpancakes zu einem Wickelpaket in Reihe geschaltet werden. Die immer am größten Wickeldurchmesser befindlichen Leitungsenden 7, 8, erleichtern die Verbindungen zwischen den Doppelpancakes. Bei dieser Spulenform kann der Leiter auch in jeder anderen Wickeltechnik unter Zug verarbeitet werden.

Claims (2)

1. Magnetisches Ablenksystem für geladene Teilchen mit einer Spulenanordnung zum Erzeugen eines senkrecht auf der Sollbahnebene stehenden magnetischen Führungsfeldes, mit dem die Teilchen auf einer Ablenkbahn mit dem Ablenkradius r_O in der Sollebene S_E geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
   mindestens jeweils zwei Spulen übereinander beidseitig einer von der Richtung des magnetischen Führungsfeldes und von der Ablenkbahn aufgespannten Fläche A_O derart angeordnet sind, daß die Windungsflächen der Spulen parallel zur Fläche A_o verlaufen, wobei mindestens zwei der Spulen oberhalb und mindestens zwei unterhalb der Sollbahnebene S_E angeordnet sind und so das Ablenkfeld im Sollbahnbereich am Ende der Spulen ohne Feldüberhöhung und ohne anschließende Feldumkehr abklingt.
2. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
   die Spulen aus mindestens einem Doppelpancake bestehen.

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