Aufbau und Test einer Röntgenkamera zur Emittanzmessung an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III

Paul WiesenerMDI-technisches ForumHamburg, 02.10.2013

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Gliederung

> 1. Allgemeines zur Röntgenkamera

> 2. Problem- und Zielstellung

> 3. neues Konzept

> 4. Umsetzung

> 5. Ergebnisse des neuen Röntgenkamerasystems

> 6. Zusammenfassung

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>Röntgenkamera dient mit der Emittanzmessung zur Überwachung der Strahlqualität bei PETRA III

> Elektronenstrahl über eine spezielle Röntgenlinsen abgebildet und das Bild durch die Röntgenkamera ausgelesen

> über Größe des Lichtflecks (Ø 10-30 µm) kann die Querschnittsfläche des Elektronenstrahls bestimmt, und daraus mit Kenntnis der Beschleunigeroptik die Emittanz berechnet werden

> Kamerasystem ist für Röntgenstrahlung im Bereich von 20keV Energie ausgelegt Szintillator konvertiert hochenergetische Strahlung in sichtbares Licht

1. Allgemeines zur Röntgenkamera

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1. Allgemeines zur Röntgenkamera

Diagnosebeamline

> Kamerasystem befindet sich am Ende der Beamline (im neuen Achtel der PETRA-Halle)

> 15 Meter lang, für Energie von 20keV ausgelegt

> Strahlprofil über Synchrotronstrahlung aus Ablenkmagneten über hochauflösende CRL-Röntgenoptik abgebildet

>Quellpunkt hat Elektronenstrahl effektive Größe von σx = 42,5μm und σy = 18,5μm

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Emittanz

> für Beurteilung der Strahlqualität nur transversale Emittanz entscheidend

> kein direkt zugänglicher Parameter Messung im Ortsraum (x,y)

> Teilchen in Bunchen unterwegs (pro Bunch 1010 Teilchen, gewisses Volumen)

> projizierte Fläche des Volumens (ellipsenförmig) ist die transversale Emittanz

> aus praktischen Gründen Darstellung im Orts-Divergenz-Raum (x, x′‚)

1. Allgemeines zur Röntgenkamera

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1. Allgemeines zur Röntgenkamera

Emittanz

> transversale Emittanz nach Liouville-Theorem konstant

> Teilchen im gesamten Beschleuniger gleichbleibend großen Ellipsenfläche, nur Ausrichtung und Form verändert sich

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Emittanz

> Ellipsenfläche (= Emittanz) nicht direkt messbar

>Darstellung im Orts-Divergenz-Raum

> Emittanz durch Messung der Projektionen auf die Ortsraumkoordinate x (Strahlfleckgröße) bzw. Divergenzraumkoordinate x' (Strahldivergenz) bestimmbar

> Strahlfleckgröße σx,y : σ = √εβ

> Strahldivergenz σ′x,y : σ′ = √εγ

ε, β, γ aus Beschleunigeroptik bekannt

1. Allgemeines zur Röntgenkamera

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Nachteile des momentan verbauten Kamerasystem:

> lichtschwache telezentrische Optik

> Verstärkung der CCD-Kamera am oberem Limit

> alterungsbedingte Einflüsse auf die Homogenität des CCD-Chips

> Erkennbar in aufgenommenen CCD-Bildern durch unphysikalische Strukturen im Untergrund (Störsignale, Rauschen)

> optische Vergrößerung von 2:1 nicht ausreichend

> aufgrund beengter Platzverhältnisse in der Diagnosebeamline keine höhere Vergrößerung mit einer telezentrischen Abbildung realisierbar

2. Problem- und Zielstellung

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Aufgabe:

> neues Röntgenkamerasystem für PETRA III konzipieren, aufbauen und testen

> lichtstärkeres, auf endlich korrigiertes Mikroskopobjektiv hoher numerischer Apertur integrieren

> optische Vergrößerung auf 4:1 erhöhen

> für lichtoptischen Komponenten eine schrittmotorgesteuerte Ansteuerung erforderlich

Randbedingung:

> Einpassung des Kamerasystems in beengten Bauraum der bereits existierenden Diagnosestrahlführung + Montage an vorgegebenen Halterungsschiene mit 52,5mm zum Strahl

2. Problem- und Zielstellung

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Momentaner Aufbau der Röntgenkamera:

> Abbilungssystem aus Objektiv und CCD-Kamera als eine Einheit mit Transaltionstisch entlang der optischen Achse + Höhenverstellung

>Umlenkspiegel zum Schutz der CCD

3. neues Konzept

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Neukonzipierter Aufbau der Röntgenkamera

> neue Abbildungsoptik getrennt montiert

3. neues Konzept

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Dimensionierung des Abbildungssystems in Laborversuchen:

> Auswahl des Objektivs + Bestimmung der Abstände zwischen den optischen Komponenten:

Arbeitsabstand A

Gesamtabstand (G1 + G2)

Bildweite B (A - G)

4. Umsetzung

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Ergebnis der Umsetzung:

> Abbildungsoptik bestehend aus neuem Objektiv + neuer CCD-Kamera

> optische Vergrößerung 4:1, lichtstärkere Mikroskop-Optik

> 90°-Umlenkspiegel wird beibehalten zum Schutz der CCD

>Objektiv und CCD getrennt auf motorisierte Translationstische entlang der optischen Achse montiert

>CCD erhält zusätzlich manuell verstellbaren Lineartisch (Höheneinstellung) mit Arretierung vor versehentlichen Verstellen

> zusätzliche Ansteuerung für zweiten Lineartisch

> Sichtschutzplatte gegen Restlicht aus dem Beschleunigergang

> Bleiabschirmung (Bleibox)

4. Umsetzung

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4. Umsetzung

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4. Umsetzung

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Gegenüberstellung der Aufnahmen der alten und neuen Röntgenkamera

5. Ergebnisse des neuen Röntgenkamerasystems

Aufnahme des alten Kamerasystems Aufnahme des neuen Kamerasystems

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Ziel war eine wesentliche Leistungssteigerung der neuen Röntgenkamera, dies wurde erreicht durch:

> neues Konzept mit neu angeordneten Funktionsgruppen

> Einsatz eine lichtstärkeren Mikroskopobjektiv mit doppelte so hoher optischen Vergrößerung von 4:1 dadurch:

> Bereiche der verschiedenen Strahlintensitäten deutlicher erkennbar besser und sicherer Rückschlüsse auf Emittanz des Teilchenstrahls von PETRA III möglich

> Verstärkung der CCD nicht mehr am oberem Limit weniger alterungsbedingte Einflüsse in Aufnahmen durch unphysikalische Strukturen im Untergrund (Rauschen, Störsignale)

>Homogenität des CCD-Chips bleibt für längere Nutzungsdauer erhalten

6. Zusammenfassung

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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit