1. Allgemeines zur Röntgenkamera

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

Paul Wiesener MDI-technisches Forum Hamburg, 02.10.2013

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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1. Allgemeines zur Röntgenkamera > 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

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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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1. Allgemeines zur Röntgenkamera 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′‚) Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 5

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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1. Allgemeines zur Röntgenkamera 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

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2. Problem- und Zielstellung 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

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2. Problem- und Zielstellung 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

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3. neues Konzept 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

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3. neues Konzept Neukonzipierter Aufbau der Röntgenkamera

> neue Abbildungsoptik getrennt montiert

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4. Umsetzung Dimensionierung des Abbildungssystems in Laborversuchen:

> Auswahl des Objektivs + Bestimmung der Abstände zwischen den optischen Komponenten:  Arbeitsabstand A  Gesamtabstand (G1 + G2)

 Bildweite B (A - G)

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4. Umsetzung 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)

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4. Umsetzung

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4. Umsetzung

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5. Ergebnisse des neuen Röntgenkamerasystems Gegenüberstellung der Aufnahmen der alten und neuen Röntgenkamera

Aufnahme des alten Kamerasystems

Aufnahme des neuen Kamerasystems Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 16

6. Zusammenfassung 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

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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit

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