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′‚)
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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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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
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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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