ОНДУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электромагнитного излучения в широком спектре.

Известны устройства для получения на пучке электронов электромагнитного излучения, содержащие возбудители периодически изменяющегося в пространстве магнитного поля (ондуляторы), представляющие собой или спирально намотанную электрическую катушку, витки которой расположены в заданной последовательности по длине, либо магнитную систему в виде расположенных по определенному закону, жестко закрепленных постоянных магнитов.

Недостаток указанных устройств заключается в ограниченности их возможностей возбуждения излучения в высокочастотном диапазоне, что связано с неизбежностью иметь в них слишком высокую периодичность изменяющегося в пространстве магнитного поля. Получение диктуемого условием беспрепятственного прохождения в пространстве ондулятора пучка заряженных частиц, т.е. порядка 10^-5 мм, сечения периодически изменяющегося с высокой частотой магнитного поля представляет собой пока неразрешимую задачу. Ограничением в данном случае является условие S/L=2, где S период; L сечение (расстояние между магнитами) ондулятора.

Наиболее близким к предлагаемому является ондулятор, содержащий последовательно расположенные друг за другом вдоль одной оси магниты, ориентированные периодически в определенном порядке. Причем все магниты ондулятора уложены в двух параллельных оси ондулятора плоскостях и установлены в каждой из этих плоскостей симметрично с поворотом соседних секций относительно друг друга на 90^о. Такая конструкция ондулятора дает определенные преимущества, заключающиеся в высоком коэффициенте использования в нем электронного пучка.

Однако такой ондулятор также имеет ряд недостатков, присущих блочным ондуляторам, периодическое магнитное поле которых формируется путем набора постоянных магнитов. Основной недостаток обусловлен довольно большими размерами магнитных ячеек набора, период изменения магнитного поля от которых в ондуляторе составляет величину порядка 1 см. Вследствие этого энергия квантов генерируемого им электромагнитного излучения существенно ограничена и при использовании наиболее высокоэнергичных электронов не превышает рентгеновского диапазона. Очевидно, что использовать для этой цели электронные пучки с энергией электронов 18-20 ГэВ в ряде случаев оказывается нецелесообразным. Второй существенный недостаток известного ондулятора состоит в том, что сформированное по воображаемой траектории движения пучка заряженных частиц блоками-магнитами реальное магнитное поле в ондуляторе по своей форме сильно отличается от синусоидального и скорее приближается к трапецеидальному. К тому же оно неоднородно по сечению канала. Вследствие этого получение монохроматического пучка с помощью данного ондулятора из-за значительного содержания в генерируемом излучении высших гармоник является проблематичным. КПД использования энергии возбуждающего пучка для генерации основной гармоники при этом невелик. Третий недостаток известного ондулятора заключается в том, что получение с его помощью остронаправленного пучка электромагнитного излучения сталкивается с определенными трудностями, суть которых заключается в требованиях достаточно большого количества периодов его магнитного поля. При минимально достижимом в настоящее время периоде изменения магнитного поля в ондуляторе 1 см длина последнего становится препятствием на пути решения данной задачи.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Для этого в ондуляторе, содержащем расположенные в параллельных плоскостях последовательно друг за другом, ориентированные относительно оси в заданном порядке секции магнитов, указанные плоскости выполнены в виде пластин из ферромагнитного материала, участки которых намагничены в соответствующих секциям магнитов направлениях. Причем число пластин n ондулятора удовлетворяет условию n > 2 и все пластины установлены в наборе на одинаковом расстоянии друг от друга.

Не известны источники информации, в которых был бы раскрыт комплекс признаков, указанных в отличительной части формулы изобретения, с достижением поставленной цели. С другой стороны, указанные отличительные признаки в совокупности с ограничительными не являются тривиальными, поскольку прямым образом не следуют из достигнутого уровня техники. Вследствие этого есть основания считать, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям, предъявляемым к изобретению.

На фиг. 1 изображен ондулятор во взаимодействии его с возбуждающим пучком; на фиг. 2-5 показаны различные виды намагничивания пластин ондулятора.

Ондулятор содержит набор пластин 1, закрепленных на основании 2 параллельно друг другу и на одинаковом расстоянии друг от друга. Пластины изготовлены из ферромагнитного материала повышенной (30-50 кА/м) коэрцитивной силы. Все пластины намагничены в заданной последовательности по длине (фиг. 2-5), с фронтом намагниченности в поперечном относительно оси ондулятора направлении. Достаточно высокая коэрцитивная сила при этом способствует приемлемому качеству намагничивания пластин, а также сохранению намагниченности при возможных нагревах пластин под воздействием возбуждающего пучка высокоэнергетичных заряженных частиц. При этом для улучшения теплоотвода основание, несущее на себе пластины, выполнено из теплопроводящего металла, через который к тому же отводится захваченный пластинами заряд. Порядок чередования вектора намагниченности ячеек в пластинах так же, как и в аналогах и прототипе, задается в соответствии с требованиями, предъявляемыми характером поляризации необходимого пучка электромагнитного излучения. Для получения высокого соответствия намагниченности всех пластин ондулятора по их длине намагничивание последних производится всех одновременно с помощью соответствующего блока намагничивающих головок, после чего пластины с помощью шаблона устанавливаются на основание.

Пластины могут быть изготовлены из металлической пленки, например из магнитотвердого аморфного материала системы Fe-Co-V. При этом амплитуда переменного по длине ондулятора магнитного поля может быть получена до 0,2 Т. Толщина пластин (фиг. 2) d 0,01-0,1 мм, период намагниченности Sв пластинах порядка 0,1-1 мм. Расстояние между соседними пластинами в блоке Н≈(1-3)d. Прозрачность ондулятора, т. е. фактически коэффициент использования заряженных частиц возбуждающего пучка, при этом составляет 50-75%
Ондулятор работает следующим образом.

Ондулятор устанавливается по ходу пучка быстрых заряженных частиц, в частности электронов e^-, соосно с последним. Поскольку от системы намагниченных пластин в пролетном пространстве ондулятора сформировано периодически изменяющееся по ходу пучка магнитное поле, то прохождение заряженных частиц сквозь ондулятор в согласии с известным эффектом сопровождается испусканием электромагнитного излучения, соответствующего периодам периодичности магнитного поля длины волны. В частности, в ондуляторе, система пластин которого намагничена по схеме, изображенной на фиг. 2, возникает линейно поляризованное излучение, характерное для плоского ондулятора. Намагничивание в соответствии со схемами фиг. 3 и 4а, б позволяет получить различные моды циркулярно поляризованного излучения. В частности, формы намагничивания по фиг. 4а, б дают соответственно лево- и правовинтовые ориентации поляризации генерируемого излучения.

Интенсивность испускаемого излучения в пучке при этом может быть не меньше полученной в устройствах-аналогах и прототипе. Некоторое снижение магнитного поля при этом может быть скомпенсировано соответствующим увеличением числа N периодов в ондуляторе, поскольку интенсивность испускаемого излучения пропорциональна их произведению. Длина ондулятора при этом не увеличивается, остронаправленность, пропорциональная N возрастает.

Положительный эффект при этом возникает по следующим причинам.

Размер ячеек намагниченности в сравнении с прототипом может быть существенно уменьшен и периодичность магнитного поля в пролетном объеме ондулятора соответственно повышена на 2 порядка. В этом случае при использовании того же пучка заряженных частиц длина волны λ генерируемого с помощью предлагаемого ондулятора излучения может быть уменьшена в такой же степени, т.е. на 2 порядка, а энергия квантов соответственно перемещается в более жесткий участок γ -диапазона. Так, при энергии возбуждающих электронов 18 ГэВ вместо λ 0,003 нм в данном устройстве могут быть получены кванты с длиной волны λ 0,00003 нм, т.е. γ -диапазона.

Форма переменного магнитного поля по длине ондулятора, формируемая набором намагниченных пластин, при достаточно близком расположении последних друг от друга с достаточно высоким приближением копирует намагниченность указанных выше пластин. Поскольку намагничивание последних по синусоидальному закону является наиболее благоприятным, то получение монохроматичной линии испускаемого излучения в данном ондуляторе представляет собой простейшую задачу. Кроме того, поскольку намагничивание плоской ферромагнитной ленты с помощью намагничивающих головок может быть произведено с достаточно высокой степенью точности (в пределах линейности амплитудно-частотной характеристики) по люмбому закону, то в данном случае имеется реальная возможность получения широкого спектра всевозможных модификаций поляризации электромагнитного излучения. В частности, с такой же простотой может быть получено электромагнитное излучение, непрерывное в широкой полосе частот, по схеме намагничивания, изображенной на фиг. 5, кратных гармоник линейчатого спектра.

Малая длина периодов магнитного поля, сформированного с помощью данного ондулятора на пути движения заряженных частиц в нем, при тождественных условиях, т.е. длине волны генерируемого излучения и на том же пучке возбуждающих электронов, примерно на два порядка уменьшает длину ондулятора. При этом могут быть снижены и требования, предъявляемые к возбуждающему пучку, жесткость которых (в частности, прямолинейность пучка, угловая расходимость и др. ) особо отличается в случае необходимости получения в ондуляторе остронаправленного пучка электромагнитного излучения.

Малая длина периода изменения магнитного поля в ондуляторе по пути следования в нем заряженных частиц при генерации наиболее используемого в технике диапазона рентгеновского излучения, в частности в рентгеновской фотолитографии, применяемой в полупроводниковой технологии, позволяет использовать электронные пучки достаточно низкой энергии. В частности, вместо пучка электронов в 15-20 ГэВ, используемого в аналоге, в данном случае достаточно энергии 30-100 МэВ, т.е. для получения ондуляторного излучения в рентгеновском диапазоне с характерной для него высокой направленностью, что является необходимым для рентгеновской фотолитографии высокого разрешения, предлагаемый ондулятор позволяет использовать обыкновенный микротрон (или бетатрон).

Методика формирования периодически изменяющегося магнитного поля с помощью большого количества намагниченных пластин, располагаемых в сечении пучка, дает возможность гибкого управления полем с целью профилирования генерируемого пучка излучения по сечению и модуляции его во времени. Для этого достаточно отдельные экземпляры пленок или группы их намагничивать по своему закону. Взаимное перемещение единичных или групп, например, четных относительно нечетных или периферийных относительно расположенных в центральной части пленок дает возможность амплитудной или частотной модуляции пучка. Указанное позволяет изменять характеристики возбуждающего излучения, в том числе непосредственно в процессе генерации, что в ряде случае необходимо, в частности для исследования с помощью пучка поляризованного излучения всевозможных физических и химических процессов в динамике.

Использование изобретения позволит существенно расширить возможности ондуляторной методики возбуждения электромагнитного излучения, в частности для генерирования жесткого излучения в γ -диапазоне, а также для получения излучения с высокой монохроматичностью и задания других спектральных характеристик с пространственной и временной модуляцией пучка. Существенно упростится конструкция ондулятора и снизится жесткость требований, предъявляемых к возбуждающему пучку заряженных частиц. Последнее в значительной мере способствует внедрению ондуляторной методики получения электромагнитного излучения в производственные технологические процессы, в частности использования ценного свойства ондуляторного излучения высокой направленности для рентгеновской фотолитографии высокого разрешения, необходимой для современной интегральной и разрабатываемой в настоящее время твердотельной микроэлектроники, поскольку в данном случае достаточно иметь относительно простой и недорогой ускоритель электронов средних энергий микротрон.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электромагнитного излучения в широкой области спектра, в частности для получения направленного рентгеновского излучения, используемого для рентгеновской фотолитографии. Сущность изобретения: ондулятор содержит набор пластин, закрепленных на общем основании параллельно друг другу и на равном расстоянии друг от друга. Пластины изготовлены из ферромагнитного материала с повышенной коэрцитивной силой. Их участки намагничены в заданной последовательности с фронтом намагниченности в поперечном относительно оси ондулятора направлении. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ОНДУЛЯТОР, содержащий группы периодически ориентированных магнитов, установленные в параллельных плоскостях, отличающийся тем, что группы магнитов выполнены в виде пластин из магнитожесткого ферромагнитного материала, участки которых намагничены с фронтом намагниченности в перпендикулярном оси ондулятора направлении, причем пластины установлены на дополнительно введенном основании. 2. Ондулятор по п.1, отличающийся тем, что число пластин выбрано большим, чем две, и все пластины установлены на одинаковом расстоянии друг от друга. 3. Ондулятор по п.1, отличающийся тем, что коэрцитивная сила материала пластин выбрана в пределах 30 50 кА/м. 4. Ондулятор по п.1, отличающийся тем, что пластины намагничены с величиной вектора намагниченности, изменяющейся по синусоидальному закону вдоль оси ондулятора. 5. Ондулятор по п.1, отличающийся тем, что пластины установлены на основании с возможностью перемещения в параллельном оси ондулятора направлении.