紧凑的波荡器系统和方法
【专利摘要】本申请涉及紧凑的波荡器系统和方法。提供了具有紧凑结构的波荡器，这种结构减少了重量、复杂性和成本。紧凑的波荡器系统和方法可以是机械集成的又不影响磁场质量。
【专利说明】紧凑的波荡器系统和方法
[0001]优先权
[0002]本申请主张在2011年8月9日提交的美国临时专利申请第61/521，606号的权益。
[0003]政府权利
[0004]本发明是在由国家科学基金赞助的政府支持DMR-0936384和DMR-0807731下完成的。美国政府在本发明中具有一定的权利。
【技术领域】
[0005]本发明总的涉及插入装置，更具体地，涉及采用机械集成的且不影响磁场质量的紧凑结构的波荡器(undulator)系统和方法，从而减小重量、复杂性、和成本。
【背景技术】
[0006]波荡器是磁性组件插入装置，其被用在诸如自由电子激光器(FEL)和储存环(storage ring)的同步福射源中。波荡器也被用在医学和工业领域中，用于X射线或具有更长波长的光子束的用途。
[0007]具体地，波荡器包括相对的磁体阵列，这种相对的磁体阵列在其间的间隙中产生周期性的空间磁场分布。归因于周期性的磁场，平行于阵列穿过该间隙的高能电子束的轨迹前后“摆动”。波荡器还可以包括温度稳定部件，其被选择性地排布以避免波荡器的磁场随温度发生变化。
[0008]波荡器是周期性磁场结构，它们的磁场基本上是正弦波。其磁场是在一个平面上的波荡器被称为直线极化波荡器。称为椭圆极化波荡器的波荡器具有可调节的磁场方向。某些其它的波荡器具有旋转的磁场方向。这些波荡器被称为螺旋形波荡器。
[0009]典型的波荡器由一个大块的C-形框架、两个或四个磁体阵列、和一个或多个驱动机构组成。磁体阵列被连接于框架，而驱动机构提供精确的阵列移动，即，磁体阵列之间的间隙变化。因为在磁体阵列之间的力是相当大(几吨)并且是变化的，并且磁体阵列位置的容忍度是相当小的(几微米)，因此C-形框架必须非常坚固。这些需求要求用于磁体阵列支撑采用又大又重的结构。此外，波荡器通常是非常昂贵的。
[0010]所需要的是一种尺寸紧凑的波荡器，其要降低重量、复杂性和成本，并且是机械集成的而又不损害磁场控制和质量。本发明满足了这种需要。
【发明内容】
[0011]相比于提供同样的X射线束强度和可变光谱的传统波荡器来说，本发明的波荡器小得多且便宜得多。提供根据本发明的紧凑波荡器是有利的，这是因为用来安装波荡器的、光束线(beam line)之间的空间是非常有限的。而且，本发明的波荡器比起传统的波荡器，重量上也大大减轻。
[0012]根据本发明，波荡器系统和方法包括矩形箱状框架。微型直线轴承或滑块被放置在矩形箱状框架内，纯永磁体(PPM)阵列(或简称为“磁体阵列”)被紧固在轴承上。具体地，每个磁体阵列包括基板和永磁体块，其分别放置在一个支持架内。基板被紧固到轴承上，而支持架被固定在基板上。在一个实施例中，支持架由铜材料制成。每个磁体块被焊接到支持架，以使得在相对的磁体阵列之间形成间隙。使用电子束的光子束被形成在间隙中。另夕卜，冷却单元被连接于矩形箱状框架和磁体阵列，以便控制矩形箱状框架和阵列的温度。通过使用驱动机构，至少一个磁体阵列是可移动的，以使磁体阵列沿光束轴运动。波荡器的磁场强度一特别是在相对的磁体阵列之间的固定间隙内的磁场强度一通过磁体阵列的运动而被控制。
[0013]本发明相对于传统的波荡器的一个优点在于,波荡器在提供相同功能的同时可以做得小得多和便宜得多。本发明的波荡器易于运输、拆卸和安装，并且可以更容易地放置在现有的几何结构体中，这易于促进设施更新。
[0014]本发明相对于最近开发研制的Delta波荡器的优点在于，本发明的波荡器为电子束提供大的水平开孔，这允许在储存环中以及在自由电子激光器(FEL)和能量回收型直线加速器(ERL)中使用波荡器。
[0015]相对于诸如在Delta波荡器中使用的四个磁体阵列来说，本发明的另一个优点是只使用两个磁体阵列。
[0016]本发明的另一个优点在于，在例如包括直线极化波荡器、椭圆极化波荡器、和螺旋线波荡器的所有类型的波荡器中，都可以实现紧凑波荡器的概念。
[0017]通过下面的优选实施例的附图和详细说明，将更容易明白本发明的这些和其他的方面、特征、和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面将结合被提供来说明而不是限制本发明的附图来描述本发明的优选实施例，图上相同的标号表示相同的单元，以及其中:
[0019]图1是根据本发明的实施例的波荡器的透视图；
[0020]图2是根据本发明的实施例的波荡器的截面图；
[0021]图3是根据本发明的实施例的驱动机构的截面透视图；
[0022]图4示出根据本发明的实施例的磁场分布的图，该磁场分布是上部阵列位置的函数；
[0023]图5示出根据本发明的实施例的所测得的K参数的图，该K参数是上部阵列位置的函数；
[0024]图6示出根据本发明的实施例的、垂直磁场与沿磁体阵列的位置的关系图；
[0025]图7示出根据本发明的实施例的、与理想的场的光谱相比较的、在磁体阵列之间没有位移时所测得的磁场所计算的X射线通量密度谱的图；
[0026]图8示出根据本发明的实施例的、与理想的场的光谱相比较的、对于磁体阵列之间有?6mm (?90°相位)位移时所测得的磁场所计算的x射线通量密度谱的图；
[0027]图9示出在第二磁体阵列烘烤周期(baking cycle)结束时残余气体分析仪光谱的图；
[0028]图10示出根据本发明的实施例的、针对理想波荡器磁场的测量的X射线光谱和预期的X射线光谱的图；[0029]图11示出根据本发明的实施例的、具有30.49keV能量的光子的光子归一化计数率的图，该光子归一化计数率是波荡器相位的函数；以及
[0030]图12示出根据本发明的实施例的、测量的电子束调整变化与波荡器参数K的关系的图。
【具体实施方式】
[0031]图1和图2显示根据本发明的实施例的波荡器100。如图1所示，波荡器100包括矩形箱状框架102和驱动机构200。在本发明的实施例中，矩形箱状框架102可以由铝材料制成，具体地，由四块一米长的、24mm和30mm厚的铝板(6061-T6合金)制成。框架的总重量可以是在35公斤左右。矩形箱状框架102的独特特性在于，力环(force loop)被容纳在小的坚固的结构内。换句话说，矩形箱状框架102比起传统上使用的C-形框架结构要坚固得多。在大的竖直力通常导致传统方案中的磁体梁摇晃的情形下，矩形箱状框架102和横向对称性有效地消除这种变形。
[0032]如图2的波荡器100的截面图所示，在矩形箱状框架102内有一对基板112。基板112上放置多个支持架110，每个支持架安装有永磁体块108。具体地，支持架110诸如通过1/8”外径(OD)接合销固定到基板112，并且用诸如两个#4-40不锈钢螺钉的紧固件紧固到基板112。在本发明的实施例中，支持架110由铜材料制成。
[0033]基板112、支持架110、和永磁体块108 —起形成磁体阵列114。每个永磁体块108被焊接在支持架110上，这样，在相对的永磁体阵列114之间形成间隙,例如,形成5mm固定竖直间隙。永磁体块108通过诸如在2011年3月I日公布的、授权给Temnykh的美国专利第7，896，224号中公开的焊接技术焊接到支持架110上，该专利申请通过引用方式并入于此。
[0034]在本发明的实施例中，永磁体块108优选地是钕(neodymium)磁体(也称为NdFeB，NIB,或NeO磁体)，具体为40UH级，其具有Br=L 25特斯拉(Tesla)和Hcj=25.0kOe0
[0035]微型直线轴承104，或称为滑块，被放置在矩形箱状框架102内。每个磁体阵列114被紧固到微型直线轴承104上。具体地，基板112被紧固到微型直线轴承104上。如图2所示，微型直线轴承104使得磁体阵列114沿光束轴116运动。相比于传统的波荡器插入装置的设计，将磁体阵列114放置在矩形箱状框架102内的直线滑块或轴承104上具有优势。应当指出，在将磁体阵列114组装后，沿光束轴116进到中心磁场区域是受到限制的。因此，磁体阵列114可以在组装之前单独地进行调节。
[0036]框架102和磁体阵列114的这种安排以及使用焊接技术来将永磁体块108紧固到支持架110使得横向尺寸显著减小，并且使得波荡器100重量减轻。
[0037]在本发明的实施例中，所选择的直线轴承104是单行、异形轨、四点接触、循环球式轴承，主要组成是440C不锈钢。轴承104具有3.5kN的静态负荷能力和33N/ μ m的硬度。由于辐射对于聚四氟乙烯部件的有害影响，轴承104的聚四氟乙烯(PTFE)端帽可以用定制的青铜部件替代。所有的滚动元件用诸如Krytoxl6256的超高真空(UHV)兼容的润滑剂进行润滑。
[0038]为确定直线轴承的尺寸，考虑两种负荷条件。第一种是在磁体阵列114之间零相位时出现的最大为6.3KN的竖直力。根据几何关系，可以假设这个力是在轴承之间相等地承担的。更限制的情形是由于直线驱动器和等价的竖直力的组合矩负荷(momentloading)。对于1 28mm的力臂(moment arm), 6.3kN驱动力产生8O6Nm的反作用矩(reactionmoment),当它在间隔为184_的四个最靠近的轴承之间承担时,要求每个轴承有2.2kN的负荷能力。
[0039]对于相对的磁体阵列114，处在下面的磁体阵列114被固定到框架102，而上面的阵列114可以通过驱动机构200沿光束轴116移动半个周期(12.2_)，驱动机构200将在下文中更完整地描述。磁体阵列114沿光束轴116的运动被使用来控制磁场强度。为了使得高阶模的功率损耗最小化，可以为通过磁体阵列114的束像流(beam image current)提供平滑的路径。例如，磁体阵列114可以用随后将更充分地讨论的镀镍的铜箔覆盖。[0040]被连接在磁体阵列114和框架102上的冷却元件106可被用来控制磁体阵列114和框架102的温度。由弯曲的0.25”316SS管子制作的两个整体式的、可弯曲的水冷却元件106被连接到每个磁体阵列114和矩形箱状框架102。在本发明的实施例中，水可被用作为冷却剂，这样，估计的制冷能力约为800W/° K。在另一个实施例中，冷的氮气可被用作为冷却剂，这样，处理阵列114的温度可以降低到0°C左右或更低。冷却元件106减小永磁体块108潜在的去磁化，该去磁化是由从电子束散射的高能电子引起的辐射导致的。
[0041]图3显示根据本发明的实施例的驱动机构200。驱动机构200包括杆部件202，它通过板部件204连接到磁体阵列114。杆部件202所放置到的管部件206通过连接部件208连接到框架102。上部的磁体阵列114可以通过拉动杆部件202而沿光束轴116移动。管部件206提供用于反作用力的路径。
[0042]应当指出，图3所示的驱动机构200不包括真空容器。可以预期，边缘焊接的不锈钢箱子可被用来将驱动机构连接到位于真空容器外的步进电动机，在真空容器中，杆部件202和管部件206均穿过箱子，以保持作用在框架102和随后作用在磁体阵列114上的净力接近于零。
[0043]在本发明的实施例中，驱动机构200被设计成提供6.3kN负荷(加30%裕量)来移动磁体阵列114。而且，驱动机构200控制可移动磁体阵列的相位，该可移动磁体阵列具有
7.2kN推力负荷能力。它由5_的铅的、非预先装载的球螺钉组成，其中球螺钉由两个预装入的角接触轴承支撑。通过开环步进电动机实现驱动，该开环步进电动机通过7:1螺旋齿轮组定位。杆部件202可以由普通青铜直线轴承引导。它具有25 μ m和250 μ m齿隙的指定的重复性。因为由于磁场的纵向分量引起的负荷是单向的，因此利用电动机控制器中的标准齿隙校正程序，齿隙可以是不成问题的。
[0044]本发明的波荡器可以具有与传统PPM平面波荡器相类似的磁场，在横向方向上可以小约10倍，以及重量约为每米长度80kg。为了控制磁场强度，设计可以使用可调节相位(AP)的方案。
[0045]在本发明的实施例中，波荡器100的基本特性列在下面的表1中。
[0046]表1
[0047]
【权利要求】
1.一种波荡器系统,包括: 由铝板形成的矩形箱状框架，所述矩形箱状框架包括内表面和外表面； 多个微型直线轴承，其中每个所述微型直线轴承被放置在所述矩形箱状框架的内表面内； 相对的磁体阵列，其中每个磁体阵列被紧固在一个或多个所述微型直线轴承上，并且每个磁体阵列还包括: 基板，其中所述基板被紧固到所述一个或多个微型直线轴承； 多个铜支持架，其中所述多个铜支持架的每个铜支持架被固定于所述基板；以及多个永磁体块，其中每个永磁体块被焊接于每个铜支持架，以使得在相对的磁体阵列之间形成间隙。
2.根据权利要求1所述的波荡器系统，其特征在于，还包括多个冷却元件，其中所述多个冷却元件被连接到所述矩形箱状框架和所述磁体阵列的每个基板，以控制所述磁体阵列的温度。
3.根据权利要求1所述的波荡器系统，其特征在于，相对的磁体阵列的一个磁体阵列被固定于所述框架。
4.根据权利要求1所述的波荡器系统，其特征在于，还包括驱动机构，其被放置于靠近所述矩形箱状框架的外表面，所述驱动机构被用来移动相对的磁体阵列中的一个磁体阵列，以控制所述波荡器的磁场强度。
5.—种波荡器系统,包括: 矩形箱状框架，所述矩形箱状框架包括内表面和外表面； 多个微型直线轴承，其中每个微型直线轴承被放置在所述矩形箱状框架的内表面内；相对的基板，其中每个所述基板被紧固到所述多个微型直线轴承的一个或多个微型直线轴承； 多个支持架，其中每个支持架被固定于相对的基板中的每个基板上； 多个相对的磁体块，其中每个磁体块被焊接于所述多个支持架中的每个支持架，以使得在相对的磁体阵列之间形成间隙； 多个冷却元件，用来控制所述矩形箱状框架内的温度；以及 被放置在靠近所述矩形箱状框架的外表面的驱动机构，所述驱动机构被用来移动所述相对的基板中的一个基板，以便控制所述相对的磁体块的磁场强度。
6.根据权利要求5所述的波荡器系统，其特征在于，每个支持架用铜材料制成。
7.根据权利要求5所述的波荡器系统，其特征在于，每个磁体块是钕磁体。
8.根据权利要求5所述的波荡器系统，其特征在于，驱动机构还包括: 杆部件，其被连接于相对的基板中的一个基板； 管部件，其中所述杆部件被放置在所述管部件内；以及 一个或多个连接部件，其将所述管部件连接到所述矩形箱状框架，其中所述杆部件的操控将相对的基板中的一个基板移动。
【文档编号】H01S3/09GK103931061SQ201280049564
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年8月9日 优先权日:2011年8月9日
【发明者】A·特姆奈科 申请人:康奈尔大学