Synchrotron-Strahlung Vorstellung einer Methode zur...
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Institut fur Festk orperphysik
Synchrotron-Strahlung
Vorstellung einer Methode zurFestkörperuntersuchung
Dennis Aulich & Daniel Schmidt
Technische Universitat Berlin
FAKULTAT II, Mathematik und Naturwissenschaften
Institut fur Festkorperphysik
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Institut fur Festk orperphysik
Inhalt
ErzeugungEigenschaften
Undulatoren und Wiggler
Komponenten eine Synchrotrons
Optische KomponentenMonochromatoren
AnwendungExperiementierverfahren
Energiebanduntersuchung
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Erzeugung der Synchrotronstrahlung
Beschleunigte Ladungen strahlen(z.B. Röntgenbremsstrahlung)
v ≪ cv = 2, 99792 · 108 km/s ≈ cE ≈ 1, 7GeV
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Geschichte
1940-1950 vorhergesagt
1947 experimentelle Beobachtung
1. Generation 1956 erste Verwendung in der Spektroskopie
2. Generation 1970 erste dedizierte Quelle
1978 erste Experimente mit Undulator und Wiggler
3. Generation 1988 erste Nutzung von Undulator und Wiggler
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Vorteile der Synchrotronstrahlung
Kontinuierliches Spektrum von IR bis harter Röntgenstrahlung
Hohe IntensitätHohe Brillianz (Photonenfluss pro Raumeinheit)
ZeitstrukturPolarisationexakt berechenbar und -steuerbar
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Komponenten eines Synchrotrons
1. Vakuum-System
2. Injektions- und Beschleunigungssystem
3. Hochfrequenz-Resonator
4. Ablenk- und Fokussiermagnete
5. Strahlungserzeugung
6. Kontrollsystem
7. Strahlenschutz8. Beam-Line
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Das Injektions- und Beschleunigungssystem
Glühkathode 100 keVLinearbeschleuniger 50 MeVSynchrotron 1,7 GeV
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Erzeugung der Synchrotronstrahlung
Durch Ablenkmagnet
kritische Wellenlänge
λC =4π
3γ3
Ablenkradius
γ = Ekin
E0Energieverhältnis
kürzere Wellenlänge durch Wellenlängenschieber (Shifter)
e
hv
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Undulatoren und Wiggler
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Undulatoren und Wiggler
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Undulatoren und Wiggler
(insertion devices)Unterscheidung durch Undulatorparameters
K =λU eB
2πm0c
Θ =K
λ
Undulator K ≤ 1, Θ ≤1γ n2-fache Intensität
Wiggler K > 1, Θ > 1γ 2n-fache Intensität
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Nachbeschleunigungssystem
(Hochfrequenzresonator)
Abgestrahlte Energie pro Elek-tron und Umlauf:
∆E =e2γ4
3ε0r0
⇒ Rückführung von EnergieResonatorfrequenz Einteilung der Elektronen in BunchesFrequenz 500 MhzLänge eines Bunches ≈ 10cm ∼= 0,02 ns
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Strahlfokussierung
Lorentzkraft
Elektrische und Magnetische Quadrupole
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Synchrotron-Strahlung
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Optische Komponenten (beamline)
101 100 1000 10M 100M
PGMSGMTGM
KMC−2
KristallchromatorenGitterchromatoren
Energie [eV]
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Synchrotron im EM-Spektrum
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Probleme bei Strahlführung
Absorptionslänge A[mm]steigt mit Energie
A[mm]
10
0.1
0.0001
1 10 E[keV]ab 30 eV:streifender (flacher)Winkelbeamline anpassen
Reflektivität R[%] sinkt abkritischen Winkel
R
Θ Θ
0,8
0,4
0
Au=8keV
6c
12
Ekin θC
100 eV 10 ◦
1 keV 1 ◦
10 keV 0,1 ◦
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Gittermonochromatoren
Leitlinien:wenig Flächen
wenig bewegliche Teile
Spalten ortsfest
horizontaler StrahlenverlaufParameter:
Abstand d der Strukturen (groß gegen Wellenlänge)
Anzahl der StrukturenProfilformGesalt: eben, sphärisch, unsphärisch, konkav
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Kristallmonochromatoren
Θ
d
Prinzip der Bragg-Reflexion
2d sin Θ = λ
Auflösung
∆E
E=
∆λ
λ= ∆ΘcotΘ
Problemesehr genau Produktion nötig
Sekundäremission bei schweren Elementen
Methode KMC-2Energiebereich 2,1 ... 43 keKAuflösung ∆E = 2,5 eVKristalle Si(111) symmetrisch und Si(111) asymmetrisch
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Einsatz in den Wissenschaften
Biologie Blutzellen untersuchen
Radiometrie Kalibrierung von Meßgeräten
Lithographie Miniaturantriebe
Chemie Sauerstoffgehalt in Trinkwasser
Radiometrie Röntgenastronomie
Atomphysik Doppelionisation von Helium
Festkörperphysik Cu,In,Ga,Se-Dünnschicht-Solarzellen
Magnetische Untersuchungen Nanostrukturen für Datenspeicherung
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Experimentelle Verfahren
Photoelektronen-Spektroskopie
Röntgenspektroskopie
Röntgenfluoreszenzspektroskopie
EUV-Lithographie
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Photoelektronenspektroskopie
Minimum der freien Weglänge a[Å]
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Energiebanduntersuchunmg
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Forschungsorte
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Berliner Synchrotronquellen
Bessy I Bessy II
Elektronenenergie 0,8 GeV 0,9 ... 1,9 GeV
Elektronenstrom 500 mA 200 mA
Magnetfeld 1,5 T 1,5 T
Kritische Energie 0,63 keV 2,60 keV
kritische Wellenlänge 1,9 nm 0,48 nm
Brillianz reisefertig 1019 Syn∗
* Syn = 1 Photonensec mm2 mrad2 1%Spektr.Bandbr.
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Literatur
Giorgio Margaritondo, Synchrotron Radiation,New Oxford University Press,1988
http://www.bessy.de, Stand 2002
Demtröder, Experimentalphysik IV, 1998
Christian Schultz, CdS/InP-Grenzfläche, 1998
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