DE3703938A1 - Teilchenbeschleuniger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger für geladene Teilchen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen oder Speichern von geladenen Teilchen, wie Elektronen derart, daß Strahlungsbündel von Ablenkvorrichtungen der Vorrichtung erzeugt werden.

Fig. 8 zeigt einen konventionellen Teilchenbeschleuniger für geladene Teilchen. In Fig. 8 bezeichnen Bezugszahl 1 einen Speicherring zum Speichern geladener Teilchen, Bezugszahl 2 eine Einfallbahn zum Einführen geladener Teilchen in den Speicherring 1, Bezugszahlen 3 Ablenkmagnete zum Bilden einer stabilen Kreisbogen-Umlaufbahn 4 durch Ablenken der geladenen Teilchen, Bezugszahlen 5 Synchrotron-Umlaufstrahlungen (SOR) welche bei Ablenkungen der geladenen Teilchen produziert und nach außen zur Nutzung emittiert werden, z. B. zur Anwendung in der Lithografie, Bezugszahlen 6 Vierpol-Konvergenzelektroden für die geladenen Teilchen, Bezugszahlen 7 Sechspol- Elektromagnete zum Korrigieren eines nicht-linearen magnetischen Feldes der Ablenkmagneten 3 oder Korrigieren des Farbwertes, Bezugszahl 8 einen Hochfrequenz- Hohlraum, der Energieverluste der geladenen Teilchen und der Strahlungsemission kompensiert und die geladenen Teilchen auf ein vorgegebenes Energieniveau beschleunigt, Bezugszahl 9 eine Vorrichtung, welche die im Gleichgewicht befindliche Umlaufbahn 4 der geladenen Teilchen so verschiebt, daß die Teilchen leicht in den Speicherring 1 eingeführt werden können, Bezugszahl 10 eine Vakuumkammer zum Schaffen einer Bahn der geladenen Teilchen, Bezugszahl 11 eine Einführvorrichtung zum Einführen der geladenen Teilchen in den Speicherring 1 aus der Bahnlinie 2 und Bezugszahlen 12 Vakuumpumpen zum Aufrechterhalten von Hoch-Vakuumbedingungen der Vakuumkammer.

Der Betrieb der konventionellen Vorrichtung sei erläutert. Die über die Bahn 2 in den Speicherring 1 eingeführten geladenen Teilchen werden in der Einführvorrichtung 11 pulsierend abgelenkt. Die Teilchen werden von der Vorrichtung 9 aus der ausgeglichenen Umlaufbahn 4 auf eine leicht verschobene Umlaufbahn zirkuliert; nach mehreren Umläufen setzen die Teilchen ihre Zirkulationsbewegung bei ausgeglichener Umlaufbahn 4 fort (die ausgeglichene Umlaufbahn wird durch die Anordnung der Ablenkmagnete 3 und der Vierpol-Elektromagnete 6 bestimmt). Beim Umlauf der geladenen Teilchen beschleunigt der Frequenz-Hohlraum 8 die Teilchen, und die Sechspol-Elektromagnete 7 korrigieren die Ungleichförmigkeit der magnetischen Felder in radialen Richtungen der Ablenkmagnete 3 bzw. korrigieren den Farbwert. Wenn die geladenen Teilchen, die längs der ausgeglichenen Umlaufbahn 4 zirkulieren, in den durch die Ablenkmagneten 3 geschaffenen Feldern abgelenkt werden, tritt elektromagnetische Strahlung in Richtung tangential zur Umlaufbahn auf, wobei die Strahlung durch Bremsstrahlung erzeugt wird. Die elektromagnetische Strahlung wird in Form von Strahlungsbündeln produziert.

Generell liegen mehrere Strahlungsbündelbahnen 5 vor, und diese erhöhen die Wirksamkeit des Teilchenbeschleunigers. In Fig. 8 ist eine einzige Strahlungsbündelbahnlinie 5 für jeden Elektromagneten 3 dargestellt.

Die Vakuumkammer 10 ist aus rostfreiem Stahl gefertigt, der hohe mechanische Festigkeit hat und leicht glühbar ist. Das Innere der Vakuumkammer 10 wird in einem Hochvakuumzustand mittels der Vakuumpumpe 12 gehalten, so daß eine verkürzte Lebensdauer der geladenen Teilchen aufgrund von Energieverlusten wegen Kollision der Teilchen mit Gasmolekülen vermieden werden kann. Jedoch wird in der Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl, die von dem Ablenkmagneten 3 umgeben ist, eine große Gasmenge aus dem rostfreiem Stahl produziert, wodurch die Vakuumbedingungen in dem Beschleuniger schlecht werden. Somit verkürzt das in der Vakuumkammer erzeugte Gas die Lebensdauer der geladenen Teilchen.

Es wurde eine Vakuumkammer aus einer Aluminiumlegierung vorgeschlagen. Obwohl eine Vakuumkammer aus einer Aluminiumlegierung die Gaserzeugung durch die Synchrotron-Strahlung drückt, ist ein "Brennen" oder Glühen bei hohen Temperaturen nicht möglich, weil die mechanische Festigkeit niedrig ist.

Bei einem konventionellen Elektronenspeicherring wurde eine Vakuumkammer gemäß Fig. 9 eingesetzt. In Fig. 9 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 8 gleiche oder entsprechende Teile. In der aus rostfreiem Stahl bestehenden Vakuumkammer wurde Synchrotron-Strahlung 5 von der ausgeglichenen Umlaufbahn 4 abgestrahlt. Bezugszahl 24 bezeichnet einen wärmeerzeugenden Abschnitt in der Vakuumkammer, der durch die Synchrotron-Strahlung verursacht ist.

Wenn in der Vorrichtung gemäß Fig. 9 die geladenen Teilchen (Elektronen) längs der durch die ablenkenden Elektromagnete 3 gekrümmten Umlaufbahn bewegt werden, wird Synchrotron-Strahlung 5 in Richtung tangential zu der gekrümmten Umlaufbahn emittiert. Die Intensität der Strahlung ist sehr stark und hat einen extrem niedrigen Durchmesser (weniger als 1 mm). Wenn demgemäß das Strahlungsbündel die Innenwand der Vakuumkammer 10 aus rostfreiem Stahl beaufschlagt, wird die Oberfläche der Innenwand lokal erhitzt, weil die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes niedrig ist. Demgemäß findet im Innenwandabschnitt der Vakuumkammer 10 in der durch den Pfeil 26 bezeichneten Richtung eine Wärmeausdehnung statt. Andererseits findet keine Wärmeausdehnung in dem der Atmosphäre ausgesetzten Abschnitt statt. Mit anderen Worten dehnt sich nur derjenige Abschnitt aus, der der Innenseite der Vakuumkammer zugewandt ist. In deformiertem Zustand bildet die Vakuumkammer 10 einen in Richtung des Pfeils 27 eingewölbten Abschnitt, um die Spannung aufgrund der Ausdehnung abzubauen. Es ist jedoch eine Ausdehnung in Richtung des Pfeiles 27 erschwert, weil die Vakuumkammer Eckenabschnitte 28 in Gestalt eines L-Winkels aufweist. In solch einer L-Winkelstruktur ist es schwierig, eine Verformung des Eckenabschnittes nach innen zu verursachen. Demgemäß ist es nicht möglich, ausschließlich eine Verformung des Abschnittes in Pfeilrichtung 27 zu erzeugen. Die Vakuumkammer 10 wird vielmehr so verformt, daß eine Kraft in Pfeilrichtung 27, welche durch die thermische Ausdehnung erzeugt ist, mit einer Reaktionskraft im Gleichgewicht steht, welcher durch die Festigkeit des Eckenabschnittes 28 und den Werkstoff der Vakuumkammer bestimmt ist. Die Tiefe der Einwölbung ist relativ gering. Demgemäß wird die thermische Ausdehnung in Pfeilrichtung 27 mehr oder weniger behindert, und eine große Druckkraft wird im Abschnitt der thermischen Ausdehnung, d. h. im wärmeerzeugenden Abschnitt 24 hervorgerufen. Der sich ausdehnende Abschnitt wird ferner durch die Synchrotron-Strahlung auf eine hohe Temperatur (um 500°C) für einen langen Zeitraum aufgeheizt, wodurch ein Kriechproblem erzeugt wird. Zusätzlich besteht das Problem der Werkstoffermüdung aufgrund von Wechselbeanspruchung. Schließlich wird Gas in dem Fall erzeugt, daß die Vakuumkammer wie oben beschrieben aus rostfreiem Stahl besteht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Teilchenbeschleuniger für geladene Teilchen zu schaffen, mit dem sich die oben beschriebenen Schwierigkeiten beheben lassen und die Lebensdauer der geladenen Teilchen verlängern lassen.

Diese Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Teilchenbeschleunigers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt der Vakuumkammer nach Fig. 1 in kleinerem Maßstab;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Abwandlung der Vakuumkammer nach der Erfindung in größerem Maßstab;

Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch eine andere Ausführung der Vakuumkammer nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung wie Fig. 1 einer weiteren Ausführung der Vakuumkammer nach der Erfindung;

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine andere Ausführung der Vakuumkammer nach der Erfindung;

Fig. 7 eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 6;

Fig. 8 ein Schema eines konventionellen Teilchenbeschleunigers für geladene Teilchen;

Fig. 9 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht der konventionellen Vakuumkammer zur Anwendung in dem konventionellen Teilchenbeschleuniger und

Fig. 10 einen Teilschnitt zum Erläutern einer Einwölbung einer Wand der konventionellen Vakuumkammer.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung seien nun anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen gekrümmten Abschnitt einer Vakuumkammer 10 einer Ausführung des Teilchenbeschleunigers nach der Erfindung. In der Vakuumkammer 10 ist eine im Querschnitt U-förmige Platte in Längsrichtung der Vakuumkammer angeordnet. Die Platte 30 besteht aus einer Aluminiumlegierung. Im Boden der U-förmigen Platte 30 sind in Längsrichtung gesehen mehrere Öffnungen 31 hintereinander angeordnet, um Strahlungsbündel durchzulassen.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des gekrümmten Abschnittes der Vakuumkammer 10.

In Fig. 2 trifft ein Teil des Strahlungsbündels 5 auf die Aluminiumlegierungsplatte 30, wo die Strahlung durch Absorption abgeschwächt wird.

Die bei Auftreffen der Strahlung erzeugte Gasmenge ist durch die folgende Gleichung darstellbar:

worin T = E/m ₀ C ², E die Strahlungsenergie der geladenen Teilchen, m ₀ die Masse der geladenen Teilchen im Ruhezustand, C die Lichtgeschwindigkeit, i _b die Stromstärke der geladenen Teilchen, ε ₀ die Arbeitsfunktion der Wandfläche, auf welcher die Strahlung auftrifft, ε _c die kritische Energie und D die Anzahl der Moleküle eines Gases (mol/e^-) ist, das durch Fotoelektronen mit einer Energie größer als ε ₀ emittiert wird. Die Größe von D in der oben angegebenen Gleichung variiert mit dem Werkstoff der Wandfläche der Vakuumkammer. Im Vergleich der Aluminiumlegierung mit rostfreiem Stahl ist die Gaserzeugung von rostfreiem Stahl um etwa das 2,5-fache größer als bei der Aluminiumlegierung. Wenn die Aluminiumlegierung als Wandfläche der Vakuumkammer verwendet wird, kann die durch die Strahlung erzeugte Gasmenge um etwa 40% im Vergleich zu rostfreiem Stahl reduziert werden.

Gemäß Fig. 2 werden bezüglich der ausgeglichenen Umlaufbahn 4 der geladenen Teilchen viele Strahlungsbündel 5 in tangentialer Richtung geschaffen. Von diesen Strahlungsbündeln 5 werden die durch die Öffnungen 31 längs der Bahnlinien 25 austretenden Strahlungsbündel wirksam genutzt. Die anderen Strahlungsbündel, welche auf die Innenwand der Vakuumkammer auftreffen, sind nutzlos. Somit ist, wie aus Fig. 2 klar hervorgeht, ein großer Teil der Strahlung für die Gaserzeugung verantwortlich. Die Platte 30 aus der Aluminiumlegierung dient dazu, praktisch alle nutzlosen Strahlungsbündel abzuschirmen.

Es ist ein wichtiger Punkt, daß die aus einer Aluminiumlegierung bestehende Platte 30 nicht als Vakuumkammer der Vorrichtung dient. Da die mechanische Festigkeit der Aluminiumlegierung schwächer als diejenige von rostfreiem Stahl ist, könnte leicht durch Brechen der Vakuumzustand aufgehoben werden. Ferner hält die Aluminiumlegierung nicht dauerhaft die hohen Temperaturen aus, welche durch das "Brennen" erzeugt werden. Bei der Ausführung nach der Erfindung besteht jedoch die Vakuumkammer selbst aus rostfreiem Stahl und ist somit als Behälter zur Aufrechterhaltung der Vakuumbedingungen verläßlich.

Wenngleich bei der oben beschriebenen Ausführung eine U-förmige Aluminiumlegierungsplatte 30 verwendet ist, kann auch eine ebene Aluminiumlegierungsplatte 30 verwendet werden. Ferner kann ein Rohr aus einer Aluminiumlegierung verwendet werden. Die Aluminiumlegierungsplatte 30 kann an einer gewünschten Stelle angebracht werden, sofern sie nur die durch die Strahlungsbündel erzeugte Gasmenge reduziert.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Vakuumkammer nach der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist ein Führungsglied 32 um jede Öffnung 31 in der U-förmigen Aluminiumlegierungsplatte 30 angebracht. Demgemäß treffen solche die Öffnungen 31 passierende Strahlungsbündel, welche nicht parallel zu den Bahnen 25 verlaufen, auf die Wände der Führungsglieder und werden dadurch abgeschwächt. Auf diese Weise kann die durch den Kontakt des Strahlungsbündels mit dem rostfreien Stahl erzeugte Gasmenge weiter reduziert werden.

Fig. 4 zeigt einen Teilquerschnitt der Vakuumkammer 10.

In Fig. 4 ist eine Aussparung 29 im Eckenabschnitt 28 der Vakuumkammer dargestellt. Die Aussparung 29 erstreckt sich längs der gekrümmten Vakuumkammer. Es ist eine weitere Aussparung 29 im anderen, bezüglich der Längsmittelachse symmetrischen Eckenabschnitt vorgesehen. Aufgrund der Aussparung 29 ist eine Verformung der Wand der Vakuumkammer 10, welche durch die Strahlungsbündel aufgeheizt wird, leicht in Richtung des Pfeiles 27 möglich, wodurch die Wand der Vakuumkammer 10 aufgrund der Wärmeausdehnung ausschließlich in Richtung des Pfeiles 27 verformt wird. Die Aussparungen 29 verringern mit anderen Worten die thermische Beanspruchung durch Druck in dem aufgeheizten Wandabschnitt.

Eine andere Ausführung der Erfindung wird anhand der Fig. 5 erläutert. Bei dieser Ausführung ist eine langgestreckte, ebene Platte 39 aus einer Aluminiumlegierung, wie Duraluminium, an demjenigen Innenwandabschnitt der Vakuumkammer angebracht, wo die von der ausgeglichenen Umlaufbahn 4 abgestrahlten Strahlungsbündel 5 auftreffen. Wie oben beschrieben wird dieser Wandabschnitt bei 24 durch die Synchrotron-Strahlung aufgeheizt. Jedoch wird bei dieser Ausführung, bei der die lokal aufgeheizten Stellen durch die langgestreckte Platte 39 aus der Aluminiumlegierung mit hoher Wärmeleitfähgkeit abgedeckt ist, die thermische Beanspruchung im Vergleich zu einer Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl hinreichend abgesenkt.

Die in der Vakuumkammer mit einer Platte aus Aluminiumlegierung erzeugte Gasmenge beträgt etwa 40% der in einer Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl erzeugten Gasmenge. Demgemäß kann selbst bei Synchrotron- Strahlung in der Vakuumkammer mit der Aluminiumlegierung ein gewünschter Druckbereich aufrechterhalten werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführung der Vakuumkammer 10. Bei dieser Ausführung ist eine Aluminiumlegierungsschicht 10 b auf der Wand 10 a (aus rostfreiem Stahl) der Vakuumkammer 10 durch Plattieren, Schmelzinjektion, Explosionsformen und dgl. aufgebracht, um eine zweilagige Wandkonstruktion zu bilden. Das Plattierungsverfahren kann dazu benutzt werden, eine relativ dünne Überzugsschicht auf dem Grundmaterial zu schaffen; Das Schmelzinjektionsverfahren kann dazu verwendet werden, eine relativ dünne Überzugsschicht zu schaffen und das Explosionsformen kann dazu verwendet werden, eine Auskleidung zu schaffen, welche im wesentlichen die gleiche Wandstärke wie die Wandstärke des Grundmaterials aufweist.

Somit vermindert die zweilagige Wandkonstruktion mit einer inneren Aluminiumlegierungsschicht die Erzeugung von Gas um etwa 40% im Vergleich zu einer Vakuumkammer, deren Innenwand aus rostfreiem Stahl besteht. Demgemäß können die Geschwindigkeit der Gasabgabe zum Erhalten gleicher Leistung für das Vakuum kleingehalten und damit die Herstellkosten für die Vorrichtung niedrig gehalten werden. Wenn die Vakuumkammer mit der inneren Aluminiumlegierungsschicht in einem Elektronen-Speicherring eingesetzt wird, wird die Lebensdauer des Speicherringes verlängert, wodurch die Herstellung von Halbleitervorrichtungen mittels eines lithografischen Verfahrens sukzessive über eine lange Zeitdauer aufrechterhalten werden kann. Dies führt zu einer Verringerung der Herstellkosten der Halbleitervorrichtungen.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführung der Vakuumkammer. Bei dieser Ausführung hat die Vakuumkammer eine dreilagige Wandkonstruktion, d. h. ein Grundmaterial 10 a, eine Zwischenschicht und eine innerste Schicht 10 c aus einer Aluminiumlegierung. Natürlich können mehr als drei Lagen auf der Innenwand der Vakuumkammer ausgebildet werden.

Bevorzugt werden bei der Erfindung folgende Aluminiumlegierungen angewendet: 3003, 3203, 3004, 3005, 5005, 5052, 5652, 5154, 5254, 5454, 5083, 5086, 5N01, 1080, 1070, 1050, 1100, 1200 und 1N00 (Japanische Industrienorm). Die Einzelheiten der Aluminiumlegierungen sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Aluminium hohen Reinheitsgrades ist ebenso zur Verminderung der Gaserzeugung bei der Erfindung anwendbar.

Tabelle

Bei den beschriebenen Ausführungen wird die Vakuumkammer bei einem Elektronen-Speicherring eingesetzt. Die gleiche Wirkung ist jedoch auch erzielbar, wenn sie bei einem anderen Teilchenbeschleuniger für geladene Teilchen, wie einem Synchrotron-Beschleuniger, eingesetzt wird.

Claims (10)

1. Teilchenbeschleuniger mit einer Vakuumkammer zum Transportieren, Beschleunigen, Ablenken und/oder Speichern von geladenen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lage (30; 39; 10 b) aus einem wenig Gas erzeugenden Werkstoff in der Vakuumkammer (10) an einer Stelle (24) angeordnet ist, an der Strahlung (5), welche durch Ablenkung der geladenen Teilchen erzeugt ist, auftrifft, wobei der genannte Werkstoff weniger Gas als ein die Vakuumkammer bildender Werkstoff erzeugt.

2. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Lage (30) ein von der Vakummkammer (10) getrennter Körper ist, der nicht zur Aufrechterhaltung des Vakuums beiträgt.

3. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (30; 39; 10 b) aus einer Aluminiumlegierung besteht.

4. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Lage (30; 39; 10 b) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der eine Innenwand der Vakuumkammer bildende Werkstoff aufweist.

5. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage (30, 10 b) fest an der Innenfläche der Vakummkammer (10) angebracht ist.

6. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (10) ringförmig ist und daß die Lage am äußeren Umfangsabschnitt der ringförmigen Vakuumkammer angeordnet ist.

7. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (10) eine Mehrlagenstruktur aufweist und daß die Lage (10 b) des eine geringe Gasmenge erzeugenden Werkstoffes die innerste Lage bildet.

8. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (10) eine Zweilagenstruktur aufweist.

9. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reinaluminium- oder Aluminiumlegierungsschicht (10 b) auf der aus einem rostfreien Stahl bestehenden Innenwand (10 a) der Vakuumkammer (10) aufgebracht ist.

10. Teilchenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Vakuumkammer (10) in einer senkrecht zur Richtung der Bahn (4) der geladenen Teilchen verlaufenden Ebene rechteckig ist und daß Aussparungen (29) in den inneren Eckenbereichen der Vakuumkammer vorgesehen sind.