Einfeld, D.

Huttel, E.

Pont, M.

KITopen

Für das Einfädeln eines Elektro-nenstrahls aus einer Transportli-nie in einen Speicherring, so wiedas Ausfädeln aus einen Ring ineine Transferlinie, sind schnelle(gepulste) Magnete notwendig,die nur für eine Zeit, vergleichbarmit der Umlaufzeit der Elektronenim Ring, eingeschaltet sind. ZumFüllen des Speicherrings wird beiANKA ein Elektronen-Puls von et-wa 0.05 µsec Länge und 5 mAAmplitude aus dem Booster inden Speicherring eingeschossen.Der einlaufende Strahl wird übereinen speziellen Magneten (Sep-tum) parallel zum gespeichertenStrahl gebracht. Dieser Magnetist so gebaut, dass sein Feld nurden einlaufenden, nicht aber dengespeicherten Strahl beeinflusst.Der bereits gespeicherte Strahlwird, wie in Abb. 1 schematischdargestellt, zum Zeitpunkt der In-jektion, über schnelle Magnete(Kicker) zum Rand der Vakuum-kammer, nahe zum einlaufendenStrahl, gelenkt. EinlaufenderStrahl und gespeicherter Strahlwerden dann über zwei weitereschnelle Magnete zur Mitte derVakuumkammer geführt. DasFeld der Kicker-Magnete mußbeim weiteren Durchgang am In-jektionsort soweit abgeklungensein, dass die Einengung im Be-reich des Septums nicht getroffenwird. Der injizierte Strahl führtzunächst noch transversaleSchwingungen um den gespei-cherten Strahl aus, die danndurch Abstrahlung von Syn-chrotronstrahlung gedämpft wer-den. Er wird somit in den gespei-cherten Strahl integriert. Das Ausfädeln eines Elektronen-strahls aus einem Ring in eineTransportlinie geschieht eben-falls über einen schnellen Kickerund einem Septummagneten.Der gespeicherte Strahl wird übereinen schnellen Kicker in Rich-tung des Septums abgelenkt.Elektronen, die während desFeldanstiegs den Kicker passie-ren, erhalten keine ausreichendeAblenkung und treffen auf die Va-kuumkammer, wie in Abb. 2 dar-gestellt. Um die Verluste zu mini-mieren, muss der Extraktions-Grundlagen298(298)Die gepulsten Magnete bei ANKAD. Einfeld, E. Huttel, M. Pont, FGSNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 32  4/2000  S. 298-301 Abb. 1: Oberer Teil: Zeitlicher Verlauf des Kickerimpulses. Während der In-jektion hat die Kickerstärke ihr Maximum. Beim weiteren Durchgang desStrahls muss diese soweit abgefallen sein, dass die Vakuumkammer nichtgetroffen wird.  Unterer Teil: Schematische Darstellung des Injektionsvor-gangs: Der gespeicherte Strahl (rot) wird über Kicker in Richtung des Sep-tums gelenkt, aus dem der injizierte Strahl (grün) eintritt. Weitere Kicker brin-gen beide Strahlen zur Mitte der Vakuumkammer.InjektionZeitSeptumKicker Kicker1. Durchgang2. DurchgangFeldstärkeAbb. 2: Schematische Darstellung der Extraktion aus einem Speicherring.Der Elektronenstrahl wird über einen Kicker mit besonders schnellem An-stieg in Richtung Septum gelenkt. Elektronen, die den Kicker, während desEinschaltens durchlaufen, sehen nicht genügend Feld und gehen verloren(gebrochene Linie).                                                Elektronen werden extrahiertElektronen treffen SeptumZeitSeptumKickerFeldstärkeKicker daher einen sehr schnel-len Anstieg haben (kleiner als dieUmlaufzeit im Speicherring) undwährend einer Umlaufzeit mitkonstanter Stärke anliegen.Elektrotechnisch sind die Kickerzur Injektion und Septummagne-te wie ein Schwingkreis mit In-duktivität und Kapazität ausge-legt. Ein Kondensator (C) wirdüber ein Netzgerät aufgeladenund über die Spule (L) desKickers, bzw. Septums entladen.Die erforderliche Ladespannung(UL ) ist durch die folgenden Glei-chung gegeben:Der resultierende Stromimpulshat die Form einer halben Sinus-welle mit der Länge (τ). Für denExtraktionskicker lässt sich dieseSchaltung nicht verwenden, dahier ein schneller Impulsanstiegmit einem sich anschließendenflachen Bereich benötigt wird.Hierzu wird ein Kabel über einNetzgerät aufgeladen. Über ei-nen Schalter wird dann das Kabelüber die Induktivität des Extrakti-ons-Kickers und einen an das Ka-bel angepassten Widerstand ent-laden. Beim Schalten bricht dieSpannung am Schalter auf dieHälfte zusammen. Eine Span-nungswelle läuft vom Schalterzum anderen Ende des Kabels,wird dort reflektiert und über denWiderstand vollständig entladen.Ladespannung (UL), Anstiegszeit(τ), und Pulsdauer (t) werdendurch die folgenden Gleichungenbeschrieben (L’ und C’ sind diespezifischen Induktivitäten undKapazitäten des Kabels per Me-ter).Die Schaltkreise für beide Injekti-ons- und Extraktionskicker sind inAbb. 3 dargestellt. Als Schalterwerden für Injektionskicker undSeptum Halbleiter (IGBT) ver-wendet. Für den Extraktions-kicker muss wegen der hohenSpannung von 20 kV ein Tyratron(eine gasgefüllte Röhre) verwen-det werden. Die für die Injektion und Extrak-tion benötigten Feldstärken derKicker hängen von der Anord-nung der Quadrupole und Dipoleim Speicherring, sowie von derEnergie der Elektronen und derPosition der Kicker im Ring ab.Auf deren Berechnung soll hiernicht eingegangen werden. Feld-stärke, Stromstärken und Span-nungen sind für Kicker und Sep-tum in Tab. 1 wiedergegeben. Umdie benötigte Spannungen mög-lichst niedrig zu halten, muss dieInduktivität klein sein. Das Ma-gnetfeld wird daher mit nur einerStromschleife erzeugt. Stromlei-KickerUL = 2 R IMτ = L / Rt  = l (L’ C’ )1/2UL = πL I M / τC = (τ / π)2 / LElektrische Schaltung299(299)Abb. 3: Schematische Darstellung der Schaltungen für Injektions- undExtraktionskicker. Der Impuls des Injektionskickers hat die Form eines hal-ben Sinus (siehe Abb. 1), der des Extraktionskickers eine gerundete Recht-eckform (siehe Abb. 2).Ladegerät LadegerätLadekondensatorSchalterSchalterInduktivität(Kicker) Induktivität(Kicker) LastwiderstandVerzögerungsleitungParameter Einheiten Extraktions- Injektions- Injektions- Kicker Kicker SeptumB Feld T 0.002 0.025 0.8Strom A 160 1000 8000Ladespannung V 20000 1600 210Polabstand mm 26 46 11Bogenlänge m 0.4 0.2 0.523Ablenkwinkel mrad 2 2 262Pulslänge µsec 0.1 3 200Tab. 1: Parameter der gepulsten Magnete bei ANKAter und Joch befinden sich außer-halb der Vakuumkammer. DasJoch zur Führung des Magnetfel-des ist als Fenster um Spule undVakuumkammer herumgeführt.Abb. 4 zeigt den Querschnitt ei-nes Injektionskickers von ANKA.Das Joch ist aus Ferrit herge-stellt, um die bei den schnellenStrompulsen erzeugten Wirbelfel-der zu reduzieren. Aus dem glei-chen Grund ist es nicht möglich,eine metallische Vakuumkammerzu verwenden. Diese ist aus 6mm dicker Keramik mit einer 2µmdicken Innenbeschichtung aus Ti-tan. Die Titanschicht wurde durchSpattern aufgetragen. Diese istnotwendig, um für den gespei-cherten Elektronenstrahl einegleichförmig leitende Umhüllungzu haben. Abb. 5 zeigt einenKicker vor der Montage. Hauptkriterium eines Septum-Magneten ist die Ablenkung desein- bzw. auslaufenden Strahls,ohne den gespeicherten Strahl zubeeinflussen. Weiterhin muss dieTrennung zwischen den beidenStrahlkanälen (die Septumschie-ne) möglichst klein sein. Abb. 6zeigt einen Querschnitt durch denSeptum-Magneten mit den bei-den Vakuumkammern. Der Magnet ist als C-Magnet aus-gelegt, mit einer Stromschleife zubeiden Seiten der Vakuumkam-mer des einlaufenden Strahls.Die Vakuumkammern sind im Be-reich der Engstelle auf 0.5 mmverjüngt, der Stromleiter hat andieser Stelle ebenfalls eine Stär-ke von nur 0.5 mm, so dass sichmit notwendiger Isolierung für dieSeptumschiene eine Dicke vonSeptum300(300)Abb. 4: Querschnitt durch einen Injektionskicker des Speicher-rings von ANKA. Die Vakuumkammer ist aus Keramik, um Wirbel-ströme durch den schnellen Kickerimpuls zu vermeiden. Ausdem gleichen Grund wird für das Joch Ferrit verwendet. Das Ma-gnetfeld wird mit nur einem Leiter erzeugt, um die Induktivitätklein zu halten. Ferrit46809232Keramik StromleiterKeramik FerritStromleiterAbb. 6: Querschnitt durch das Injektions-Septum. Der einlaufen-de Strahl wird durch das 10-mm-Rohr in die Hauptkammer ge-lenkt. Deren halbe Weite ist hier einseitig von 35 auf 27.5 mm ein-geengt. Das Feld wird durch eine Leiterschleife (rot) erzeugt. DasJoch (grün) für das Magnetfeld besteht aus laminierten Blechen. Innerer LeiterEpoxi9.5227.51135 Äußerer LeiterAbb. 5: Injektionskicker des Speicherringsvon ANKA. etwa 2 mm ergibt. Zur Erregungdes für die Ablenkung des einlau-fenden Strahls notwendigen Ma-gnetfeldes von 0,8 T ist ein Stromvon 7000 A notwendig. DieseStromstärke lässt sich über einenungekühlten Stromleiter nur kurz-zeitig anwenden, weshalb Sep-tummagnete ebenfalls gepulstbetrieben werden. Beim Testendes Septums zeigte es sich, dassder Einfluss des Magneten aufden gespeicherten Strahl größerals erwartet war. Zur Reduzie-rung des Einflusses musste derAbstand des Stromleiters zumMagnetjoch minimiert werden,was Probleme bei der Isolationergab, zum anderen wurde µ-Me-tall zwischen Stromleiter undHauptvakuumkammer ange-bracht, soweit dies möglich war.Abb. 7 zeigt eine Abbildung desSeptums.301(301)Abb. 7: Abbildung des Extraktions-Septums.MagnetjochHauptvakuumrohr

Die gepulsten Magnete bei ANKA

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Die gepulsten Magnete bei ANKA

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