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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
Synchrotron-Strahlung – p.1/26
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Institut fur Festk orperphysik
Inhalt
ErzeugungEigenschaften
Undulatoren und Wiggler
Komponenten eine Synchrotrons
Optische KomponentenMonochromatoren
AnwendungExperiementierverfahren
Energiebanduntersuchung
Synchrotron-Strahlung – p.2/26
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Institut fur Festk orperphysik
Erzeugung der Synchrotronstrahlung
Beschleunigte Ladungen strahlen(z.B. Röntgenbremsstrahlung)
v ≪ cv = 2, 99792 · 108 km/s ≈ cE ≈ 1, 7GeV
Synchrotron-Strahlung – p.3/26
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Institut fur Festk orperphysik
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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Institut fur Festk orperphysik
Vorteile der Synchrotronstrahlung
Kontinuierliches Spektrum von IR bis harter Röntgenstrahlung
Hohe IntensitätHohe Brillianz (Photonenfluss pro Raumeinheit)
ZeitstrukturPolarisationexakt berechenbar und -steuerbar
Synchrotron-Strahlung – p.5/26
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Institut fur Festk orperphysik
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
Synchrotron-Strahlung – p.6/26
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Institut fur Festk orperphysik
Das Injektions- und Beschleunigungssystem
Glühkathode 100 keVLinearbeschleuniger 50 MeVSynchrotron 1,7 GeV
Synchrotron-Strahlung – p.7/26
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Institut fur Festk orperphysik
Erzeugung der Synchrotronstrahlung
Durch Ablenkmagnet
kritische Wellenlänge
λC =4π
3γ3
Ablenkradius
γ = Ekin
E0Energieverhältnis
kürzere Wellenlänge durch Wellenlängenschieber (Shifter)
e
hv
Synchrotron-Strahlung – p.8/26
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Institut fur Festk orperphysik
Undulatoren und Wiggler
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Institut fur Festk orperphysik
Undulatoren und Wiggler
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Institut fur Festk orperphysik
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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Institut fur Festk orperphysik
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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Institut fur Festk orperphysik
Strahlfokussierung
Lorentzkraft
Elektrische und Magnetische Quadrupole
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Institut fur Festk orperphysik
Synchrotron-Strahlung
Synchrotron-Strahlung – p.14/26
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Institut fur Festk orperphysik
Optische Komponenten (beamline)
101 100 1000 10M 100M
PGMSGMTGM
KMC−2
KristallchromatorenGitterchromatoren
Energie [eV]
Synchrotron-Strahlung – p.15/26
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Institut fur Festk orperphysik
Synchrotron im EM-Spektrum
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Institut fur Festk orperphysik
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 ◦
Synchrotron-Strahlung – p.17/26
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Institut fur Festk orperphysik
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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Institut fur Festk orperphysik
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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Institut fur Festk orperphysik
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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Institut fur Festk orperphysik
Experimentelle Verfahren
Photoelektronen-Spektroskopie
Röntgenspektroskopie
Röntgenfluoreszenzspektroskopie
EUV-Lithographie
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Institut fur Festk orperphysik
Photoelektronenspektroskopie
Minimum der freien Weglänge a[Å]
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Institut fur Festk orperphysik
Energiebanduntersuchunmg
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Institut fur Festk orperphysik
Forschungsorte
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Institut fur Festk orperphysik
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.
Synchrotron-Strahlung – p.25/26
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Institut fur Festk orperphysik
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
Synchrotron-Strahlung – p.26/26