paul wiesener mdi-technisches forum hamburg, 02.10.2013
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Aufbau und Test einer Röntgenkamera zur Emittanzmessung an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III
Paul WiesenerMDI-technisches ForumHamburg, 02.10.2013
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 2
Gliederung
> 1. Allgemeines zur Röntgenkamera
> 2. Problem- und Zielstellung
> 3. neues Konzept
> 4. Umsetzung
> 5. Ergebnisse des neuen Röntgenkamerasystems
> 6. Zusammenfassung
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 3
>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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 4
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 5
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 6
1. Allgemeines zur Röntgenkamera
Emittanz
> transversale Emittanz nach Liouville-Theorem konstant
> Teilchen im gesamten Beschleuniger gleichbleibend großen Ellipsenfläche, nur Ausrichtung und Form verändert sich
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 7
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 8
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 9
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 10
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 11
Neukonzipierter Aufbau der Röntgenkamera> neue Abbildungsoptik getrennt montiert
3. neues Konzept
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 12
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 13
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 14
4. Umsetzung
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 15
4. Umsetzung
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 16
Gegenüberstellung der Aufnahmen der alten und neuen Röntgenkamera
5. Ergebnisse des neuen Röntgenkamerasystems
Aufnahme des alten Kamerasystems Aufnahme des neuen Kamerasystems
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 17
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
Paul Wiesener | MDI-technisches Forum | 02.10.2013 | Seite 18
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit
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