Paul Wiesener MDI-technisches Forum Hamburg, 02.10.2013

1. Aufbau und Test einer Röntgenkamera zur Emittanzmessung an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III Paul Wiesener MDI-technisches Forum Hamburg, 02.10.2013

2. Gliederung • 1. Allgemeines zur Röntgenkamera • 2. Problem- und Zielstellung • 3. neues Konzept • 4. Umsetzung • 5. Ergebnisse des neuen Röntgenkamerasystems • 6. Zusammenfassung

3. 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

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

5. 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′‚)

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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 3. neues Konzept Neukonzipierter Aufbau der Röntgenkamera • neue Abbildungsoptik getrennt montiert

12. 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)

13. 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)

14. 4. Umsetzung

15. 4. Umsetzung

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

17. 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

18. Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit