DE10135307A1

DE10135307A1 - Hochleistungs-Strahlverschluss-und -Spaltsystem für Synchrotronstrahlung

Info

Publication number: DE10135307A1
Application number: DE2001135307
Authority: DE
Inventors: Manfred Rueter; Ulrich Hahn
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2021-07-20
Also published as: DE10135307C2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem für Synchrotronstrahlung. Das System hat wenigstens zwei Synchrotronstrahlungsabsorber (2) mit gegen die Längsachse, die im Betrieb der Strahlachse der Synchrotronstrahlung entspricht, geneigten Absorptionsflächen zum streifenden Einfall der Synchrotronstrahlung, wobei die Synchrotronstrahlungsabsorber symmetrisch gegenüberliegend zur Längsachse (1) angeordnet und senkrecht zur Längsachse gegeneinander beweglich sind, so dass mit ihren Absorptionsflächen ein Spalt variabler Breite definierbar ist. Mit der vorliegenden Erfindung soll das Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem für Synchrotronstrahlung so verbessert werden, dass es im Aufbau und Betrieb einfacher und sicherer handhabbar ist. Dazu ist vorgesehen, dass die Synchrotronstrahlungsabsorber (2) mechanisch gekoppelt zur symmetrisch gegenläufigen Bewegung senkrecht zur Längsachse (1) aufgehängt, so dass die Stellung der Synchrotronstrahlungsabsorber mit einem einzigen steuerbaren Antriebsorgan (7) einstellbar ist. Vorzugsweise sind die Synchrotronstrahlungsabsorber (2) in Längsrichtung auf Abstand zueinander angeordnet und durch Hebelmechanismus (5) nach Art einer Hebelwaage miteinander gekoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem für Synchrotronstrahlung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
In Synchrotronstrahlungslaboratorien wird an Elektronen-Beschleunigerringen, die mit speziellen Strahlführungen mit sogenannten Wigglern und Undulatoren versehen sind, gezielt hochintensive Synchrotronstrahlung erzeugt, die in der Regel in einer Mehrzahl von separaten Strahlen für Experimente zur Verfügung gestellt werden. In jeder Strahlführung muss vor dem Experiment ein Strahlverschluss- und Spaltsystem angeordnet sein, um den Strahl abschalten zu können und durch Definieren einer bestimmten Strahlbreite mittels eines Spaltes die Strahlgeometrie an das Experiment anpassen zu können. Da in den heutigen Experimenten Strahlen mit sehr hoher Intensität verwendet werden, müssen diese Vorrichtungen auf die Absorption hoher Leistungen (6-15 kW) ausgelegt sein.

Ein System nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist beispielsweise aus dem Artikel "Precision white-beams slit design for high power-density x-ray undulator beamlines at the Advanced Photon Source", D. Shu et al., Rev. Sci. Instrum. 66 (2), Seiten 1789 bis 1791 (1995), bekannt. Diese Vorrichtung weist zwei in Längsrichtung versetzt zueinander angeordnete Synchrotronstrahlungsabsorber auf. Die eigentlichen Absorber haben jeweils einen keilförmigen Grundkörper aus Molybdän. Die Keilform wird gewählt, damit die Absorptionsfläche leicht gegen die Längsrichtung der Vorrichtung, die im Betrieb mit der Strahlrichtung übereinstimmt, geneigt ist, so dass der Absorberkörper, in Strahlrichtung gesehen, leicht auf die Strahlachse zu läuft. Dadurch kommt es zu einem streifenden Einfall der Synchrotronstrahlung auf die geneigte Absorptionsfläche, so dass sich die auftreffende Synchrotronstrahlung auf eine große Absorptionsfläche verteilt (die geneigte Absorptionsfläche ist um den Faktor 1/sinθ, wobei θ der Neigungswinkel der Absorptionsfläche gegen die Längsrichtung ist, gegenüber einer Fläche normal zur Strahlrichtung vergrößert). Wegen der absorbierten Synchrotronstrahlung auf eine größere Absorptionsfläche, muss der Absorberkörper gekühlt werden. Die beiden Synchrotronstrahlungsabsorber sind symmetrisch gegenüberliegend zur Längsachse angeordnet und jeweils mit einer Antriebseinrichtung verbunden, so dass jeder Synchrotronstrahlungsabsorber senkrecht zur Längsrichtung gesteuert verschiebbar ist. Auf diese Weise können die beiden Synchrotronstrahlungsabsorber einen Spalt vorgegebener Breite definieren. Grundsätzlich könnten die beiden Synchrotronstrahlungsabsorber auch so weit in den Strahlengang vorgeschoben werden, dass der Strahl vollständig ausgeblendet wird. Allerdings ist die bekannte Vorrichtung als Strahlverschlussvorrichtung kaum geeignet, da der Strahl nicht mit der geforderten Schnelligkeit abgeschaltet werden kann. Darüber hinaus ist die bekannte Vorrichtung nachteilig, da zwei unabhängige Antriebseinheiten benötigt werden, was den apparativen Aufwand und den Steuerungsaufwand erheblich vergrößert, da die Bewegung der Antriebseinheiten genau aufeinander abgestimmt werden müssen.

Eine weitere Strahlverschluss- und Spaltvorrichtung für Synchrotronstrahlung ist aus dem Artikel "A new dual purpose photon shutter-slit assembly for high power beamline front ends at HASYLAB", U. Hahn et al., SPIE Vol. 1997, High Heat Flux Engineering II (1993), Seiten 392 bis 396, bekannt. Diese Vorrichtung arbeitet mit einem Absorberkörper aus Kupfer, in dem ein paralleler Spalt mit einem trichterförmigen Eingang kombiniert ist. In der geöffneten Betriebsstellung ist dieser Spalt parallel zur Strahlrichtung ausgerichtet, so dass Synchrotronstrahlung durch den Spalt hindurchtreten kann. Zur Variation der Spaltbreite wird der Absorber um einen Drehpunkt im Zentrum des gegen die Strahlrichtung gekippt. Dadurch wird die wirksame Spaltbreite verringert. Ab einem bestimmten Kippwinkel kann keine Synchrotronstrahlung mehr durch den Spalt hindurchtreten, so dass die Vorrichtung auch als Strahlverschluss wirken kann. Zu diesem Zweck ist die Lagerung des Absorberkörpers so austariert, dass er bei Fehlen einer von außen einwirkenden Kraft automatisch in eine soweit verkippte Stellung fällt, dass der Strahl verschlossen ist. Auf diese Weise kann durch Abschalten der Antriebseinheit ein verzögerungsfreies Abschalten des Strahls erreicht werden. Für die Anforderungen jetzt geplanter Synchrotronstrahlungsexperimente ist wegen der stark gestiegenen Strahlungsintensität und der gestiegenen Energie der Röntgenstrahlung diese bekannte Vorrichtung nicht gut geeignet. Beim Verkippen des Spaltes erfolgt die Absorption der Strahlung im Wesentlichen auf einer Seite des Spaltes und des Eingangstrichters des Absorberblocks. Das führt zu einer veränderlichen Leistungsdichte auf der absorbierenden Fläche in Abhängigkeit von der Spaltstellung. Zur Absorption hochenergetischer Röntgenstrahlung müßten zusätlich zwei Wolframbacken eingebaut werden. Das ist bei dieser Anordnung jedoch nicht möglich, da nur eine Backe des Absorbers dafür verfügbar ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochleistungs- Strahlverschluss- und Spaltsystem für Synchrotronstrahlung zu schaffen, das im Aufbau und Betrieb einfacher und sicherer handhabbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die beiden Synchrotronstrahlungsabsorber mechanisch gekoppelt zur symmetrisch gegenläufigen Bewegung senkrecht zur Längsachse aufgehängt sind. Die Stellung der Synchrotronstrahlungsabsorber und damit die Spaltbreite ist dann mit einem einzigen steuerbaren Antriebsorgan einstellbar.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Synchrotronstrahlungsabsorber in Längsrichtung auf Abstand zueinander angeordnet und durch einen Hebelmechanismus nach Art einer Hebelwaage miteinander gekoppelt. Die beiden Absorptionsflächen der Synchrotronstrahlungsabsorber liegen symmetrisch oberhalb und unterhalb der Längsachse. Die Synchrotronstrahlungsabsorber sind wie auf den Waagschalen einer Hebelwaage gelagert, so dass sich die beiden Absorber nur symmetrisch gegenläufig senkrecht zur Strahlrichtung bewegen können.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die beiden den Spalt definierenden Synchrotronstrahlungsabsorber mit einem einzelnen Antriebsorgan zur Definition der Strahlbreite positioniert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in der einzigen Figur erläutert, in der ein Hochleistungs- Strahlverschluss- und Spaltsystem in seitlicher, teilweise geschnittener Ansicht gezeigt ist.
Das dargestellte System weist zwei baugleiche Synchrotronstrahlungsabsorber 2 auf, die symmetrisch gegenüberliegend zur Längsachse, in Längsrichtung auf Abstand zueinander angeordnet sind. Jeder Synchrotronstrahlungsabsorber 2 weist einen im Wesentlichen quaderförmigen Absorptionskörper aus Kupfer auf, deren dem Strahl zugewandte Innenseite als Absorptionsfläche leicht gegen die Längsachse 1 geneigt ist, so dass die auftreffende Synchrotronstrahlung streifend einfällt und so auf eine größere Absorptionsfläche verteilt wird. Der geschilderte Absorptionskörper besteht aus Kupfer und wird von Kühlleitungen durchzogen, um die absorbierte Synchrotronstrahlungsleistung im Betrieb abführen zu können.
Am in Strahlrichtung hinten liegenden Ende jedes Synchrotronstrahlungsabsorbers 2 ist ein zusätzlicher Absorber 3 aus Wolfram zur Absorption harter Röntgenstrahlung montiert. Die Synchrotronstrahlungsabsorber 2 sind jeweils geschlossen, so dass sie den Strahl vollständig umgeben und so in das anschließende Vakuumsystem der Strahlrohre integriert werden können. Zum Anschluss der Synchrotronstrahlungsabsorber 2 an die feststehenden Strahlrohre des Vakuumsystems und zur Verbindung der beiden Synchrotronstrahlungsabsorber 2 untereinander sind Faltenbalgzwischenstücke 12 vorgesehen, die eine Bewegung senkrecht zur Längsrichtung 1 erlauben.
Die beiden Synchrotronstrahlungsabsorber 2 sind auf einem Hebelmechanismus 4 gelagert, der eine symmetrisch gegenläufige Bewegung senkrecht zur Längsrichtung 1 erzwingt. Der Hebelmechanismus 4 weist zwei baugleiche Hebel auf, die jeweils an einem Ende mit dem ersten Synchrotronstrahlungsabsorber, an dem gegenüberliegenden Ende mit den zweiten Synchrotronstrahlungsabsorber über Drehgelenke 8 verbunden sind, und in der Mitte jeweils über ein Drehgelenk 9 an einem Basisgestell gelagert sind. Dieser Hebelmechanismus 4 entspricht dem prinzipiellen Aufbau nach einer Hebelwaage, an der die beiden Synchrotronstrahlungsabsorber wie auf den Waagschalen montiert sind. Vorzugsweise sind die Drehlager so ausgestaltet, dass sie eine Lagerung unter minimaler Reibung gewährleisten, um eine Feinjustierung der Vorrichtung zu ermöglichen. Um solche Drehlager 8, 9 mit verschwindender Reibung zu realisieren, ist deren Ausbildung als Kreuzfedergelenke bevorzugt.
Es ist ein einzelnes Antriebsorgan 7 vorgesehen, das z. B. als Kombination eines pneumatischen oder hydraulischen Zylinders mit einer Linearführung ausgebildet sein kann. Der Kolben des Zylinders wirkt auf einen der Synchrotronstrahlungsabsorber 2 ein. Durch Betätigen des Antriebsorgans 7 wird nun einer der Synchrotronstrahlungsabsorber 2 senkrecht zur Längsachse 1 bewegt, wobei diese Bewegung durch den Hebelmechanismus 5 automatisch in eine symmetrisch entgegengesetzte Bewegung des anderen Synchrotronstrahlungsabsorbers 2 übertragen wird. Dadurch kann der Spalt mit Hilfe eines einzelnen Antriebsorgans 7 präzise definiert werden. Die Stellung der Linearführung bestimmt bei ausgefahrenem Kolben die Spaltgröße.
Damit die Vorrichtung auch als Strahlverschluss sicher eingesetzt werden kann, sind die Synchrotronstrahlungsabsorber 2 und der Hebelmechanismus 5, gegebenenfalls durch das Vorsehen von Gewichten oder Federkräften, so eingestellt, dass sie beim Ausschalten der Stellkraft des Antriebsorgans 7 (Antriebszylinder) automatisch in die geschlossene Stellung fallen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Strahl mit der geforderten Schnelligkeit geschlossen werden kann.

Claims

1. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem für Synchrotronstrahlung, mit einer Längsachse, die im Betrieb der Strahlachse der Synchrotronstrahlung entspricht, und wenigstens zwei Synchrotronstrahlungsabsorbern mit gegen die Längsachse geneigten Absorptionsflächen zum streifenden Einfall der Synchrotronstrahlung, wobei die Synchrotronstrahlungsabsorber symmetrisch gegenüberliegend zur Längsachse angeordnet und senkrecht zur Längsachse gegeneinander beweglich sind, so dass mit ihren Absorptionsflächen ein Spalt variabler Breite definierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchrotronstrahlungsabsorber (2) mechanisch gekoppelt zur symmetrisch gegenläufigen Bewegung senkrecht zur Längsachse (1) aufgehängt sind, so dass die Stellung der Synchrotronstrahlungsabsorber mit einem einzigen steuerbaren Antriebsorgan (7) einstellbar ist.

2. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchrotronstrahlungsabsorber (2) in Längsrichtung auf Abstand zueinander angeordnet sind und durch den Hebelmechanismus (5) nach Art einer Hebelwaage miteinander gekoppelt sind.

3. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Synchrotronstrahlungsabsorber (2) baugleich sind und der Hebelmechnismus (4) symmetrisch aufgebaut ist.

4. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechanismus zwei baugleiche Hebel (6) aufweist, die entlang der Längsrichtung versetzt angeordnet und jeweils über Drehlager (8) mit dem ersten und dem zweiten Synchrotronstrahlungsabsorber verbunden und über ein Drehlager (9) an einem Basisgestell (10) gelagert sind.

5. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlager (8, 9) durch Kreuzfedergelenke gebildet werden.

6. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechnismus (4) und die Synchrotronstrahlungsabsorber (2) so austariert sind, dass die Synchrotronstrahlungsabsorber in Abwesenheit einer von dem Antriebsorgan aufgebrachten Kraft in die Strahlverschlussstellung fallen, in der der von den Synchrotronstrahlungsabsorbern definierte Spalt vollständig geschlossen ist.

7. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsorgan (7) auf einen der Synchrotronstrahlungsabsorber einwirkt, um ihn senkrecht zur Längsrichtung zu verschieben.

8. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsorgan (7) einen Pressluftzylinder aufweist.

9. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchrotronstrahlungsabsorber (2) im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet sind und untereinander und mit den anschließenden Strahlrohren durch Faltenbalgzwischenstücke (12) verbunden sind, um die relative Bewegung senkrecht zur Längsrichtung zu ermöglichen.

10. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach einem der vorhergeheden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Synchrotronstrahlungsabsorber (2) aus zwei Teilen gebildet ist, wobei das erste Teil eine Absorptionsfläche mit einem Anstellwinkel zur Strahlrichtung hat und mit einer Kühleinrichtung versehen ist, und das zweite Teil (3) aus Schwermetall zur Absorption der durch das erste Teil nicht absorbierten hochenergetischen Röntgenstrahlung hergestellt ist.