緊湊的波蕩器系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本申請涉及緊湊的波蕩器系統(tǒng)和方法。提供了具有緊湊結(jié)構(gòu)的波蕩器，這種結(jié)構(gòu)減少了重量、復雜性和成本。緊湊的波蕩器系統(tǒng)和方法可以是機械集成的又不影響磁場質(zhì)量。
【專利說明】緊湊的波蕩器系統(tǒng)和方法
[0001]優(yōu)先權(quán)
[0002]本申請主張在2011年8月9日提交的美國臨時專利申請第61/521，606號的權(quán)益。
[0003]政府權(quán)利
[0004]本發(fā)明是在由國家科學基金贊助的政府支持DMR-0936384和DMR-0807731下完成的。美國政府在本發(fā)明中具有一定的權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0005]本發(fā)明總的涉及插入裝置，更具體地，涉及采用機械集成的且不影響磁場質(zhì)量的緊湊結(jié)構(gòu)的波蕩器(undulator)系統(tǒng)和方法，從而減小重量、復雜性、和成本。
【背景技術(shù)】
[0006]波蕩器是磁性組件插入裝置，其被用在諸如自由電子激光器(FEL)和儲存環(huán)(storage ring)的同步福射源中。波蕩器也被用在醫(yī)學和工業(yè)領(lǐng)域中，用于X射線或具有更長波長的光子束的用途。
[0007]具體地，波蕩器包括相對的磁體陣列，這種相對的磁體陣列在其間的間隙中產(chǎn)生周期性的空間磁場分布。歸因于周期性的磁場，平行于陣列穿過該間隙的高能電子束的軌跡前后“擺動”。波蕩器還可以包括溫度穩(wěn)定部件，其被選擇性地排布以避免波蕩器的磁場隨溫度發(fā)生變化。
[0008]波蕩器是周期性磁場結(jié)構(gòu)，它們的磁場基本上是正弦波。其磁場是在一個平面上的波蕩器被稱為直線極化波蕩器。稱為橢圓極化波蕩器的波蕩器具有可調(diào)節(jié)的磁場方向。某些其它的波蕩器具有旋轉(zhuǎn)的磁場方向。這些波蕩器被稱為螺旋形波蕩器。
[0009]典型的波蕩器由一個大塊的C-形框架、兩個或四個磁體陣列、和一個或多個驅(qū)動機構(gòu)組成。磁體陣列被連接于框架，而驅(qū)動機構(gòu)提供精確的陣列移動，即，磁體陣列之間的間隙變化。因為在磁體陣列之間的力是相當大(幾噸)并且是變化的，并且磁體陣列位置的容忍度是相當小的(幾微米)，因此C-形框架必須非常堅固。這些需求要求用于磁體陣列支撐采用又大又重的結(jié)構(gòu)。此外，波蕩器通常是非常昂貴的。
[0010]所需要的是一種尺寸緊湊的波蕩器，其要降低重量、復雜性和成本，并且是機械集成的而又不損害磁場控制和質(zhì)量。本發(fā)明滿足了這種需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]相比于提供同樣的X射線束強度和可變光譜的傳統(tǒng)波蕩器來說，本發(fā)明的波蕩器小得多且便宜得多。提供根據(jù)本發(fā)明的緊湊波蕩器是有利的，這是因為用來安裝波蕩器的、光束線(beam line)之間的空間是非常有限的。而且，本發(fā)明的波蕩器比起傳統(tǒng)的波蕩器，重量上也大大減輕。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，波蕩器系統(tǒng)和方法包括矩形箱狀框架。微型直線軸承或滑塊被放置在矩形箱狀框架內(nèi)，純永磁體(PPM)陣列(或簡稱為“磁體陣列”)被緊固在軸承上。具體地，每個磁體陣列包括基板和永磁體塊，其分別放置在一個支持架內(nèi)?；灞痪o固到軸承上，而支持架被固定在基板上。在一個實施例中，支持架由銅材料制成。每個磁體塊被焊接到支持架，以使得在相對的磁體陣列之間形成間隙。使用電子束的光子束被形成在間隙中。另夕卜，冷卻單元被連接于矩形箱狀框架和磁體陣列，以便控制矩形箱狀框架和陣列的溫度。通過使用驅(qū)動機構(gòu)，至少一個磁體陣列是可移動的，以使磁體陣列沿光束軸運動。波蕩器的磁場強度一特別是在相對的磁體陣列之間的固定間隙內(nèi)的磁場強度一通過磁體陣列的運動而被控制。
[0013]本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的波蕩器的一個優(yōu)點在于,波蕩器在提供相同功能的同時可以做得小得多和便宜得多。本發(fā)明的波蕩器易于運輸、拆卸和安裝，并且可以更容易地放置在現(xiàn)有的幾何結(jié)構(gòu)體中，這易于促進設(shè)施更新。
[0014]本發(fā)明相對于最近開發(fā)研制的Delta波蕩器的優(yōu)點在于，本發(fā)明的波蕩器為電子束提供大的水平開孔，這允許在儲存環(huán)中以及在自由電子激光器(FEL)和能量回收型直線加速器(ERL)中使用波蕩器。
[0015]相對于諸如在Delta波蕩器中使用的四個磁體陣列來說，本發(fā)明的另一個優(yōu)點是只使用兩個磁體陣列。
[0016]本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，在例如包括直線極化波蕩器、橢圓極化波蕩器、和螺旋線波蕩器的所有類型的波蕩器中，都可以實現(xiàn)緊湊波蕩器的概念。
[0017]通過下面的優(yōu)選實施例的附圖和詳細說明，將更容易明白本發(fā)明的這些和其他的方面、特征、和優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面將結(jié)合被提供來說明而不是限制本發(fā)明的附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，圖上相同的標號表示相同的單元，以及其中:
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的波蕩器的透視圖；
[0020]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的波蕩器的截面圖；
[0021]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的驅(qū)動機構(gòu)的截面透視圖；
[0022]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁場分布的圖，該磁場分布是上部陣列位置的函數(shù)；
[0023]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的所測得的K參數(shù)的圖，該K參數(shù)是上部陣列位置的函數(shù)；
[0024]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的、垂直磁場與沿磁體陣列的位置的關(guān)系圖；
[0025]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的、與理想的場的光譜相比較的、在磁體陣列之間沒有位移時所測得的磁場所計算的X射線通量密度譜的圖；
[0026]圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的、與理想的場的光譜相比較的、對于磁體陣列之間有?6mm (?90°相位)位移時所測得的磁場所計算的x射線通量密度譜的圖；
[0027]圖9示出在第二磁體陣列烘烤周期(baking cycle)結(jié)束時殘余氣體分析儀光譜的圖；
[0028]圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的、針對理想波蕩器磁場的測量的X射線光譜和預期的X射線光譜的圖；[0029]圖11示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的、具有30.49keV能量的光子的光子歸一化計數(shù)率的圖，該光子歸一化計數(shù)率是波蕩器相位的函數(shù)；以及
[0030]圖12示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的、測量的電子束調(diào)整變化與波蕩器參數(shù)K的關(guān)系的圖。
【具體實施方式】
[0031]圖1和圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的波蕩器100。如圖1所示，波蕩器100包括矩形箱狀框架102和驅(qū)動機構(gòu)200。在本發(fā)明的實施例中，矩形箱狀框架102可以由鋁材料制成，具體地，由四塊一米長的、24mm和30mm厚的鋁板(6061-T6合金)制成。框架的總重量可以是在35公斤左右。矩形箱狀框架102的獨特特性在于，力環(huán)(force loop)被容納在小的堅固的結(jié)構(gòu)內(nèi)。換句話說，矩形箱狀框架102比起傳統(tǒng)上使用的C-形框架結(jié)構(gòu)要堅固得多。在大的豎直力通常導致傳統(tǒng)方案中的磁體梁搖晃的情形下，矩形箱狀框架102和橫向?qū)ΨQ性有效地消除這種變形。
[0032]如圖2的波蕩器100的截面圖所示，在矩形箱狀框架102內(nèi)有一對基板112。基板112上放置多個支持架110，每個支持架安裝有永磁體塊108。具體地，支持架110諸如通過1/8”外徑(OD)接合銷固定到基板112，并且用諸如兩個#4-40不銹鋼螺釘?shù)木o固件緊固到基板112。在本發(fā)明的實施例中，支持架110由銅材料制成。
[0033]基板112、支持架110、和永磁體塊108 —起形成磁體陣列114。每個永磁體塊108被焊接在支持架110上，這樣，在相對的永磁體陣列114之間形成間隙,例如,形成5mm固定豎直間隙。永磁體塊108通過諸如在2011年3月I日公布的、授權(quán)給Temnykh的美國專利第7，896，224號中公開的焊接技術(shù)焊接到支持架110上，該專利申請通過引用方式并入于此。
[0034]在本發(fā)明的實施例中，永磁體塊108優(yōu)選地是釹(neodymium)磁體(也稱為NdFeB，NIB,或NeO磁體)，具體為40UH級，其具有Br=L 25特斯拉(Tesla)和Hcj=25.0kOe0
[0035]微型直線軸承104，或稱為滑塊，被放置在矩形箱狀框架102內(nèi)。每個磁體陣列114被緊固到微型直線軸承104上。具體地，基板112被緊固到微型直線軸承104上。如圖2所示，微型直線軸承104使得磁體陣列114沿光束軸116運動。相比于傳統(tǒng)的波蕩器插入裝置的設(shè)計，將磁體陣列114放置在矩形箱狀框架102內(nèi)的直線滑塊或軸承104上具有優(yōu)勢。應(yīng)當指出，在將磁體陣列114組裝后，沿光束軸116進到中心磁場區(qū)域是受到限制的。因此，磁體陣列114可以在組裝之前單獨地進行調(diào)節(jié)。
[0036]框架102和磁體陣列114的這種安排以及使用焊接技術(shù)來將永磁體塊108緊固到支持架110使得橫向尺寸顯著減小，并且使得波蕩器100重量減輕。
[0037]在本發(fā)明的實施例中，所選擇的直線軸承104是單行、異形軌、四點接觸、循環(huán)球式軸承，主要組成是440C不銹鋼。軸承104具有3.5kN的靜態(tài)負荷能力和33N/ μ m的硬度。由于輻射對于聚四氟乙烯部件的有害影響，軸承104的聚四氟乙烯(PTFE)端帽可以用定制的青銅部件替代。所有的滾動元件用諸如Krytoxl6256的超高真空(UHV)兼容的潤滑劑進行潤滑。
[0038]為確定直線軸承的尺寸，考慮兩種負荷條件。第一種是在磁體陣列114之間零相位時出現(xiàn)的最大為6.3KN的豎直力。根據(jù)幾何關(guān)系，可以假設(shè)這個力是在軸承之間相等地承擔的。更限制的情形是由于直線驅(qū)動器和等價的豎直力的組合矩負荷(momentloading)。對于1 28mm的力臂(moment arm), 6.3kN驅(qū)動力產(chǎn)生8O6Nm的反作用矩(reactionmoment),當它在間隔為184_的四個最靠近的軸承之間承擔時,要求每個軸承有2.2kN的負荷能力。
[0039]對于相對的磁體陣列114，處在下面的磁體陣列114被固定到框架102，而上面的陣列114可以通過驅(qū)動機構(gòu)200沿光束軸116移動半個周期(12.2_)，驅(qū)動機構(gòu)200將在下文中更完整地描述。磁體陣列114沿光束軸116的運動被使用來控制磁場強度。為了使得高階模的功率損耗最小化，可以為通過磁體陣列114的束像流(beam image current)提供平滑的路徑。例如，磁體陣列114可以用隨后將更充分地討論的鍍鎳的銅箔覆蓋。[0040]被連接在磁體陣列114和框架102上的冷卻元件106可被用來控制磁體陣列114和框架102的溫度。由彎曲的0.25”316SS管子制作的兩個整體式的、可彎曲的水冷卻元件106被連接到每個磁體陣列114和矩形箱狀框架102。在本發(fā)明的實施例中，水可被用作為冷卻劑，這樣，估計的制冷能力約為800W/° K。在另一個實施例中，冷的氮氣可被用作為冷卻劑，這樣，處理陣列114的溫度可以降低到0°C左右或更低。冷卻元件106減小永磁體塊108潛在的去磁化，該去磁化是由從電子束散射的高能電子引起的輻射導致的。
[0041]圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的驅(qū)動機構(gòu)200。驅(qū)動機構(gòu)200包括桿部件202，它通過板部件204連接到磁體陣列114。桿部件202所放置到的管部件206通過連接部件208連接到框架102。上部的磁體陣列114可以通過拉動桿部件202而沿光束軸116移動。管部件206提供用于反作用力的路徑。
[0042]應(yīng)當指出，圖3所示的驅(qū)動機構(gòu)200不包括真空容器?？梢灶A期，邊緣焊接的不銹鋼箱子可被用來將驅(qū)動機構(gòu)連接到位于真空容器外的步進電動機，在真空容器中，桿部件202和管部件206均穿過箱子，以保持作用在框架102和隨后作用在磁體陣列114上的凈力接近于零。
[0043]在本發(fā)明的實施例中，驅(qū)動機構(gòu)200被設(shè)計成提供6.3kN負荷(加30%裕量)來移動磁體陣列114。而且，驅(qū)動機構(gòu)200控制可移動磁體陣列的相位，該可移動磁體陣列具有
7.2kN推力負荷能力。它由5_的鉛的、非預先裝載的球螺釘組成，其中球螺釘由兩個預裝入的角接觸軸承支撐。通過開環(huán)步進電動機實現(xiàn)驅(qū)動，該開環(huán)步進電動機通過7:1螺旋齒輪組定位。桿部件202可以由普通青銅直線軸承引導。它具有25 μ m和250 μ m齒隙的指定的重復性。因為由于磁場的縱向分量引起的負荷是單向的，因此利用電動機控制器中的標準齒隙校正程序，齒隙可以是不成問題的。
[0044]本發(fā)明的波蕩器可以具有與傳統(tǒng)PPM平面波蕩器相類似的磁場，在橫向方向上可以小約10倍，以及重量約為每米長度80kg。為了控制磁場強度，設(shè)計可以使用可調(diào)節(jié)相位(AP)的方案。
[0045]在本發(fā)明的實施例中，波蕩器100的基本特性列在下面的表1中。
[0046]表1
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種波蕩器系統(tǒng),包括: 由鋁板形成的矩形箱狀框架，所述矩形箱狀框架包括內(nèi)表面和外表面； 多個微型直線軸承，其中每個所述微型直線軸承被放置在所述矩形箱狀框架的內(nèi)表面內(nèi)； 相對的磁體陣列，其中每個磁體陣列被緊固在一個或多個所述微型直線軸承上，并且每個磁體陣列還包括: 基板，其中所述基板被緊固到所述一個或多個微型直線軸承； 多個銅支持架，其中所述多個銅支持架的每個銅支持架被固定于所述基板；以及多個永磁體塊，其中每個永磁體塊被焊接于每個銅支持架，以使得在相對的磁體陣列之間形成間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波蕩器系統(tǒng)，其特征在于，還包括多個冷卻元件，其中所述多個冷卻元件被連接到所述矩形箱狀框架和所述磁體陣列的每個基板，以控制所述磁體陣列的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波蕩器系統(tǒng)，其特征在于，相對的磁體陣列的一個磁體陣列被固定于所述框架。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波蕩器系統(tǒng)，其特征在于，還包括驅(qū)動機構(gòu)，其被放置于靠近所述矩形箱狀框架的外表面，所述驅(qū)動機構(gòu)被用來移動相對的磁體陣列中的一個磁體陣列，以控制所述波蕩器的磁場強度。
5.—種波蕩器系統(tǒng),包括: 矩形箱狀框架，所述矩形箱狀框架包括內(nèi)表面和外表面； 多個微型直線軸承，其中每個微型直線軸承被放置在所述矩形箱狀框架的內(nèi)表面內(nèi)；相對的基板，其中每個所述基板被緊固到所述多個微型直線軸承的一個或多個微型直線軸承； 多個支持架，其中每個支持架被固定于相對的基板中的每個基板上； 多個相對的磁體塊，其中每個磁體塊被焊接于所述多個支持架中的每個支持架，以使得在相對的磁體陣列之間形成間隙； 多個冷卻元件，用來控制所述矩形箱狀框架內(nèi)的溫度；以及 被放置在靠近所述矩形箱狀框架的外表面的驅(qū)動機構(gòu)，所述驅(qū)動機構(gòu)被用來移動所述相對的基板中的一個基板，以便控制所述相對的磁體塊的磁場強度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波蕩器系統(tǒng)，其特征在于，每個支持架用銅材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波蕩器系統(tǒng)，其特征在于，每個磁體塊是釹磁體。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波蕩器系統(tǒng)，其特征在于，驅(qū)動機構(gòu)還包括: 桿部件，其被連接于相對的基板中的一個基板； 管部件，其中所述桿部件被放置在所述管部件內(nèi)；以及 一個或多個連接部件，其將所述管部件連接到所述矩形箱狀框架，其中所述桿部件的操控將相對的基板中的一個基板移動。
【文檔編號】H01S3/09GK103931061SQ201280049564
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月9日
【發(fā)明者】A·特姆奈科 申請人:康奈爾大學