КОМПАКТНЫЙ ОТКЛОНЯЮЩИЙ МАГНИТ
COMPACT DEFLECTING MAGNET

[0001] В данной заявке испрашивается приоритет в соответствии с разделом 35 Кодекса законов США, §119(e) по находящейся в процессе одновременного рассмотрения предварительной заявке на патент США №62/491122, поданной 27 апреля 2017 г, под названием «COMPACT MAGNET FOR DEFLECTION AND FOCUSING OF ELECTRON AND ION BEAMS». Описание указанной заявки включено в данный документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Данное изобретение относится к магнитам, более конкретно к компактным магнитам для отклонения и фокусировки электронных и ионных пучков.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Во многих ускорителях пучка заряженных частиц необходимы магниты для отклонения, сканирования и фокусировки пучка. Устройства включают в себя, помимо прочего, катодно-лучевые трубки, рентгеновские трубки, электронно-лучевые сканеры для компьютерной томографии, клистроны, растровые электронные микроскопы, гелиево-ионные микроскопы, устройства электронной и ионной литографии.
[0004] Желательно, чтобы магниты, отклоняющие пучки, имели однородное (дипольное) магнитное поле, а также создавали квадрупольное фокусирующее поле. Магниты должны обладать возможностью сканирования в диапазоне углов отклонения, а компоненты поля должны быть магнитно вращаемыми вокруг начальной оси пучка. Предыдущие решения для вышеуказанных конструктивных требований к магнитам, как правило, включали сложные компоновки катушки электромагнита.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Данное изобретение относится к магнитам для отклонения и фокусировки электронных и ионных пучков. В одном варианте реализации изобретения магнит создает дипольные и квадрупольные поля от одного комплекта катушек.
[0006] В одном варианте реализации изобретения раскрыт ускоритель пучка частиц, содержащий магнит. Устройство содержит: источник пучка частиц, выполненный с возможностью излучения электронных и ионных пучков; множество ярм, расположенных по существу в виде прямоугольника; комплект катушек, содержащий множество катушек, причем обмотки множества катушек равномерно распределены по множеству ярм, при этом комплект катушек выполнен с возможностью создания как дипольных, так и квадрупольных полей, а магнит выполнен с возможностью отклонения и фокусировки электронных и ионных пучков.
[0007] В другом варианте реализации изобретения раскрыт магнит. Магнит содержит: множество ярм, расположенных по существу в виде прямоугольника; комплект катушек, содержащий множество катушек, причем обмотки множества катушек равномерно распределены и намотаны на множество ярм, при этом комплект катушек выполнен с возможностью создания как дипольных, так и квадрупольных полей.
[0008] Другие особенности и преимущества будут очевидны из данного описания, которое иллюстрирует, в качестве примера, аспекты изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0009] Детали данного изобретения, как относительно его конструкции, так и действия, могут быть выяснены частично путем изучения прилагаемых чертежей, на которых одинаковые номера позиций относятся к одинаковым деталям, и на которых:
[0010] На фиг. 1 приведено объемное изображение компактного магнита в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения;
[0011] На фиг. 2A приведен поперечный разрез (в плоскости x-z) компактного магнита в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения;
[0012] На фиг. 2B приведен другой поперечный разрез (в плоскости y-z) компактного магнита в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения;
[0013] На фиг. 3 приведен другой поперечный разрез (в плоскости x-y) компактного магнита в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения;
y
[0014] На фиг. 4 приведен пример схемы дипольных магнитных полей (B), обусловленных равными токами в двух катушках Y;
x
[0015] На фиг. 5 приведен пример схемы дипольных магнитных полей (B), обусловленных равными токами в двух катушках X;
[0016] На фиг. 6 приведен пример схемы квадрупольных магнитных полей, обусловленных противоположными токами в двух катушках Y;
[0017] На фиг. 7 приведен пример схемы комбинированных дипольных и квадрупольных магнитных полей, обусловленных объединенными токами в двух катушках Y;
[0018] На фиг. 8 приведен пример 45 квадрупольных магнитных полей, обусловленных токами в четырех катушках QB по углам ярма;
[0019] На фиг. 9 показано ярмо, выполненное в виде двух половин в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения;
[0020] На фиг. 10 показан один вариант реализации данного изобретения, в котором магнитное ярмо магнита с параллельными сторонами разделено на одинаковые полосы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021] Как указано выше, предыдущие решения для вышеуказанных конструктивных требований к магнитам, отклоняющим пучки, как правило, включали сложные компоновки катушки электромагнита. В некоторых вариантах реализации данного изобретения предложено альтернативное решение, которое существенно снижает сложность конструкции магнита. А именно, альтернативное решение включает в себя магнит, создающий дипольные и квадрупольные поля посредством одного комплекта катушек, в отличие от предшествующей конструкции, в которой дипольные и квадрупольные поля создаются отдельными комплектами катушек.
[0022] Кроме того, конструкция альтернативного решения, описанного в данном документе, не только простая, но, в отличие от некоторых традиционных конструкций, магнит также может быть смонтирован вокруг лучевой трубки после изготовления трубки. Кроме того, магнит новой конструкции выполнен с возможностью создания больших углов отклонения, чем традиционные конструкции. После прочтения данного описания будет очевидно, как осуществить данное изобретение в различных вариантах реализации и применения. Однако, хотя в данном описании будут раскрыты различные варианты реализации данного изобретения, понятно, что эти варианты реализации приведены только в качестве примера, а не ограничения. Таким образом, данное подробное описание различных вариантов реализации данного изобретения не должно рассматриваться как ограничивающее объем или сущность данного изобретения.
[0023] На фиг. 1 приведено 3-D изображение компактного магнита 100 в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения. В одном варианте реализации изобретения компактный магнит 100 используют в ускорителе пучка частиц, таком как: катодно-лучевая трубка, рентгеновская трубка, электронно-лучевой сканер для компьютерной томографии, клистрон, растровый электронный микроскоп, гелиево-ионный микроскоп, или устройство электронной и ионной литографии. Ускоритель пучка частиц может также содержать источник пучка частиц, в дополнение к магниту. Таким образом, в одном варианте реализации изобретения компактный магнит 100 используют для отклонения и фокусировки электронных и ионных пучков, излучаемых источником пучка частиц.
[0024]В варианте реализации изобретения, иллюстрируемом на фиг. 1, компактный магнит 100 имеет роговидную форму с входным отверстием 110, имеющим по существу прямоугольную форму (в плоскости x-y). В альтернативном варианте реализации изобретения по существу прямоугольная форма также включает в себя углы восьмиугольника 120, 122, 124, 126 (например, указанные углы отстоят друг от друга на 45°). В одном варианте реализации изобретения катушки в углах восьмиугольника 120, 122, 124, 126 выполнены как квадруполи типа B (QB). В одном варианте реализации изобретения выходной контур ярма на нисходящей стороне является дугообразным для обеспечения квадрупольного фокусирующего поля, которое может быть использовано для противодействия обусловленному отклонением эффекту естественной фокусировки, посредством однородного поля.
[0025] На фиг. 2A приведен поперечный разрез (в плоскости x-z) 200 компактного магнита 100 в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения; На поперечном разрезе 200 на фиг. 2A показана катушка Y1 (210), и катушка Y2 (212) и ярма 220, 222. Конструкция предполагает, что отклонение пучка происходит, главным образом, в одной плоскости (т.е., плоскости x-z). В варианте реализации изобретения, иллюстрируемом на фиг. 2A, форма основана на классической конструкции «оконной рамы», которая имеет весьма однородное внутреннее дипольное магнитное поле, при условии, что токи катушки равномерно распределены по соответствующим граням ярма. На фиг. 2A также показаны некоторые альтернативные формы 230, 232, 234 для ярма и катушек магнита, для которых распределение магнитного поля в пучке будет таким же.
[0026] На фиг. 2B приведен другой поперечный разрез (в плоскости y-z) 250 компактного магнита 100 в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения. На поперечном разрезе 250 на фиг. 2B также показано ярмо 220.
L
R
L
R
[0027] На фиг. 3 приведен другой поперечный разрез (в плоскости x-y) 300 компактного магнита 100 в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения. В варианте реализации изобретения, иллюстрируемом на фиг. 3, показаны различные катушки (обозначенные как катушка Y1 (310), катушка Y2 (312), катушка X1(320), катушка X1 (322), X2 (330), X2 (332)) со ссылкой на систему координат, определенную на фиг. 1, 2A, 2B и 3.
y
[0028] Обмотки каждой катушки равномерно распределены по соответствующим граням ярма. Каждая пара (L, R) катушек X 320/322 или 330/332 электрически соединена как одна катушка, хотя они механически находятся на отдельных половинах ярма. Две половины ярма соединены в стыковых соединениях 340, 342, в которых существует нулевой магнитный поток через соединение 340 или 342, обусловленный доминирующим магнитным полем внутри ярма, B.
[0029] В варианте реализации изобретения, иллюстрируемом на фиг. 3, токи в катушках X 320, 322, 330, 332 и катушках Y 310, 312 создают как дипольные, так и квадрупольные магнитные поля, как описано ниже. Хотя поперечный разрез, показанный на фиг. 3, в основном, прямоугольный, его форма, параллельная направлению пучка (в направлении z), может быть роговидной или с параллельными сторонами. На фиг. 3 также показаны необязательные катушки QB (например, 350). Как описано выше применительно к фиг. 1, выходной контур ярма на нисходящей стороне является дугообразным для обеспечения квадрупольного фокусирующего поля, которое может быть использовано для противодействия обусловленному отклонением эффекту естественной фокусировки, посредством однородного поля. Вычисление радиуса для такой дуги описано ниже.
[0030] Алгоритм, лежащий в основе конструкции компактного магнита 100, показанного в различных видах на фиг. 1, 2A, 2B и 3, описан ниже. Так, в одном случае, токи катушки компактного магнита 100 могут быть выражены следующим образом:
Y1
DY
QY
I=I+I; [1]
Y2
DY
QY;
I=I – I [2]
X1
DX
QX;
I=I+I [3]
X2
DX
QX.
I=I − I[4]
DY
где I = ток диполя в катушке Y,
QY
I = ток квадруполя в катушке Y,
DX
I = ток диполя в катушке X,
QX
I = ток квадруполя в катушке X, и
все четыре составляющих тока являются независимыми.
[0031] Используя закон Ампера, токи катушки, описанные в уравнениях [1]-[4], создают магнитное поле в области пучка, описываемое следующими уравнениями:
[5]
[6]
Y
где N = число витков в каждой отдельной катушке Y,
X
N = число витков в каждой отдельной катушке X,
o
μ = постоянная магнитной проницаемости,
( = проницаемость магнитного материала ярма,
w = внутренняя ширина ярма и
g = высота ярма по вертикали.
[0032] Таким образом, на основе вышеуказанных магнитных полей и токов катушки, величина эффективного градиента магнитного поля выглядит следующим образом:
. [7]
Соответственно, оптическая сила квадрупольной линзы может быть вычислена как:
[8]
где L(δ) = эффективная длина магнита,
e = заряд электрона,
c = скорость света и
p – импульс пучка.
Y1
Y2
DY
QY
[0033] В одном варианте реализации изобретения применены две катушки Y с отдельными токами I и I. В другом варианте реализации изобретения каждая катушка содержит две обмотки, одну, несущую ток диполя, I, и другую – ток квадруполя, I. Решение о предпочтении одного варианта реализации другому зависит от практических соображений, таких как стоимость возбудителей обмотки.
DY
[0034] Для неравных нулю отклонений дипольная компонента магнитного поля может быть аппроксимирована посредством элемента тонкой линзы, обладающего как цилиндрической, так и квадрупольной фокусирующей силой в системе электронной оптики. Таким образом, при аппроксимации, в которой I представляет доминирующий ток катушки, так что отклонение происходит полностью в плоскости x-z (как показано на фиг. 2A), для данной длины магнита по оси падения пучка L(0), при максимальном отклонении (δ) и выходном угле пучка (β):
[9]
где . [10]
[0035] Радиальную фокусирующую силу (зависящую только от радиуса пучка и не зависящую от азимутального угла, φ) магнита, затем вычисляют с точностью до первого порядка величины  по следующей формуле:
, [11]
и квадрупольную фокусирующую силу вычисляют как:
. [12]
[0036] Суммарная фокусирующая сила равна T=S+Q * cos(2φ). Эти определения применяют независимо от формы катушек и ярма. Таким образом, достаточно констатировать, что суммарная фокусирующая сила (T) в плоскости x-z равна S+Q, а в плоскости y-z равна S – Q.
[0037] Затем соответствующий радиус выходной границы вычисляют по формуле:
, [13]
где необходимые значения β и R могут быть вычислены для требуемых максимальных значений δ и Q.
[0038] Расчетное значение S при максимальном отклонении будет определять требуемое минимальное расхождение падающего пучка электронов. При меньших значениях отклонения для компенсации меньшей фокусирующей силы дипольного поля в оптическую систему могут быть введены линзы с фокусировкой соленоидом.
QY
[0039] Во многих вариантах применения может потребоваться, чтобы квадрупольная фокусирующая сила (Q) была равна нулю или близка к нулю. В этом случае может потребоваться, чтобы β ≈ ½ * δ и R ≈ L(0). Если Q является малой, но не равной нулю, как в данной заявке, для создания требуемого значения Q при максимальном отклонении выбирают соответствующие значения β и R. При меньших отклонениях квадрупольная сила дополняется током катушки I для создания необходимого градиента поля (), как описано выше.
Y
[0040] В одном примере варианта реализации ярмом служит высококачественный мю-металл (например, магнитомягкий ферромагнитный материал с проницаемостью (μ), большей, чем 50000), толщина которого составляет 1,5 мм или больше. Катушки являются однослойными, при этом в каждом слое использован медный провод американского калибра проводов 14 (American wire gauge, AWG), намотанный непосредственно на ярмо. Таким образом, при использовании проектных размеров длины (L(0))=125 мм, ширины (w)=125 мм, и зазора (g)=50 мм, например, требуется, чтобы дипольная компонента магнитного поля для отклонения пучка 200 кВ на 45 была 94 гаусса. Это обеспечивается 375 ампер-витками в каждой из катушек Y. Эти катушки наматывают с касанием витков, как показано на фиг. 3. Это дает N=28 витков при максимальном токе провода 13,3 А. Максимальное отклонение по вертикали 3,1 обеспечивается числом ампер-витков до 50, например, для каждой пары катушек X. Каждая половина каждой катушки X имеет 10 витков с током 2,5 А. Витки катушек X разнесены широко и однородно, как указано.
QY
QX
[0041] Как показано на фиг. 2A, выходная сторона ярма магнита образует дугу, с центром на оси пучка выше по потоку от магнита. Данная конфигурация гарантирует, что дипольное поле магнита действует как собирающая линза с примерно равными фокусирующими силами в обеих плоскостях. При больших углах отклонения с помощью этого контура ярма на выходе пучка создается квадрупольное поле, которое приблизительно нейтрализует эффективную фокусировку, обусловленную отклонением. Результирующая оптическая сила квадрупольной линзы в целом, например, составляет около 0,2 диоптрии при отклонении 45°. Для меньших углов отклонения также требуется, чтобы суммарная оптическая сила квадрупольной линзы была примерно такой же величины. Необходимая напряженность квадрупольного поля обеспечивается противоположными токами в катушках Y, например, I=0,33 А. Поскольку I является излишним в данной ситуации, он не используется.
y
[0042] На фиг. 4 приведен пример схемы дипольных магнитных полей (B), обусловленных равными токами в двух катушках Y.
x
[0043] На фиг. 5 приведен пример схемы дипольных магнитных полей (B), обусловленных равными токами в двух катушках X.
[0044] На фиг. 6 приведен пример схемы квадрупольных магнитных полей, обусловленных противоположными токами в двух катушках Y.
[0045] На фиг. 7 приведен пример схемы комбинированных дипольных и квадрупольных магнитных полей, обусловленных объединенными токами в двух катушках Y.
[0046] В альтернативном варианте реализации изобретения при использовании восьмиугольного варианта для вращающихся квадрупольных полей, если требуемый профиль пучка после отклонения является эллиптическим и не ориентирован по его главным осям по вертикали или горизонтали, для объединения с квадрупольными полями основных катушек может потребоваться ортогональное квадрупольное поле (ориентированное под углом 45° относительно осей координат). Положения катушек 350 QB, необходимые для создания таких полей, указаны на фиг. 3 и проиллюстрированы на фиг. 1.
[0047] На фиг. 8 приведен пример 45 квадрупольных магнитных полей, обусловленных токами в четырех катушках QB по углам ярма.
[0048] На фиг. 9 показано ярмо 900, выполненное в виде двух половин 910, 912 в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения. В варианте реализации изобретения, иллюстрируемом на фиг. 9, две половины 910, 912 прижаты друг к другу в точках 920, 922, в которых магнитная индукция в мю-металле близка к нулю для основного отклоняющего поля. Зажим облегчает крепление к системе лучевой трубки. В одном варианте реализации изобретения две половины 910, 912 могут быть закреплены немагнитными полосами, которые прикреплены латунными болтами.
[0049] В одном варианте реализации изобретения, если магнит 1000 должен использоваться в сканирующей лучевой трубке, в которой токи катушек и магнитные поля должны быстро изменяться, возможно, будет необходимо предотвращать появление индуцированных вихревых токов в магнитном ярме. Это может быть достигнуто за счет вырезания пазов в мю-металле и/или использования нескольких слоев 1010 материала. На фиг. 10 показан один вариант реализации данного изобретения, в котором все полосы мю-металла будут преимущественно одинаковыми.
[0050] Специалистам в данной области будут очевидны различные изменения этих вариантов реализации изобретения, а общие принципы, описанные в данном документе, могут быть применены к другим вариантам реализации изобретения, не отступая от сущности или объема изобретения. Соответственно, эти способы не ограничиваются конкретными примерами, описанными выше. Таким образом, следует понимать, что описание и графические материалы, представленные в данном документе, представляют собой возможный в настоящее время вариант реализации изобретения и поэтому являются репрезентативными для заявленного предмета, который в общих чертах рассматривается в данном описании. Кроме того, понятно, что объем данного изобретения полностью охватывает другие варианты реализации изобретения, которые могут стать очевидными для специалистов в данной области, и что объем данного изобретения, соответственно, не ограничен ничем, кроме прилагаемой формулы изобретения.