DE10135307C2 - Hochleistungs-Strahlverschluss-und -Spaltsystem für Synchrotronstrahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Strahlver­ schluss- und Spaltsystem für Synchrotronstrahlung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

In Synchrotronstrahlungslaboratorien wird an Elektronen-Be­ schleunigerringen, 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 Synchrotron­ strahlungsabsorber auf. Die eigentlichen Absorber haben jeweils einen keilförmigen Grundkörper aus Molybdän. Die Keilform wird gewählt, damit die Absorptionsfläche leicht gegen die Längs­ richtung 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 Synchrotron­ strahlung auf die geneigte Absorptionsfläche, so dass sich die auftreffende Synchrotronstrahlung auf eine große Absorptions­ fläche 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). Trotz der Verteilung der absorbierten Synchrotronstrahlung auf eine größere Absorptionsfläche, muss der Absorberkörper gekühlt werden. Die beiden Synchrotronstrahlungs­ absorber sind, bis auf ihre Versetzung in Längsachsenrichtung, 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 Synchrotronstrah­ lungsabsorber 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 Steuerungs­ aufwand erheblich vergrößert, da die Bewegung der Antriebsein­ heiten genau aufeinander abgestimmt werden müssen.

Eine weitere Strahlverschluss- und Spaltvorrichtung für Syn­ chrotronstrahlung 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 kom­ biniert ist. In der geöffneten Betriebsstellung ist dieser Spalt parallel zur Strahlrichtung ausgerichtet, so dass Synchrotron­ strahlung durch den Spalt hindurchtreten kann. Zur Variation der Spaltbreite wird der Absorber um einen Drehpunkt in seinem Zentrum gegen die Strahlrichtung gekippt. Dadurch wird die wirksame Spaltbreite verringert. Ab einem bestimmten Kippwinkel kann keine Synchrotronstrahlung mehr durch den Spalt hindurch­ treten, 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 Syn­ chrotronstrahlungsexperimente ist wegen der stark gestiegenen Strahlungsintensität und der gestiegenen Energie der Röntgen­ strahlung diese bekannte Vorrichtung nicht gut geeignet. Beim Verkippen des Spaltes erfolgt die Absorption der Strahlung im Wesentlichen auf einer Seite des Spaltes und des Eingangs­ trichters des Absorberblocks. Das führt zu einer veränderlichen Leistungsdichte auf der absorbierenden Fläche in Abhängigkeit von der Spaltstellung. Zur Absorption hochenergetischer Röntgen­ strahlung 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. Vor­ teilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die beiden Synchrotron­ strahlungsabsorber mechanisch gekoppelt zur senkrecht zur Längs­ achse symmetrisch gegenläufigen Bewegung 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 Syn­ chrotronstrahlungsabsorber durch einen Hebelmechanismus nach Art einer Hebelwaage miteinander gekoppelt. Die beiden Absorptions­ flächen der Synchrotronstrahlungsabsorber liegen in Längs­ achsenrichtung versetzt, ansonsten 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 Synchrotron­ strahlungsabsorber 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 auf­ treffende Synchrotronstrahlung streifend einfällt und so auf eine größere Absorptionsfläche verteilt wird. Der geschilderte Ab­ sorptionskörper besteht aus Kupfer und wird von Kühlleitungen durchzogen, um die absorbierte Synchrotronstrahlungsleistung im Betrieb abführen zu können.

Am in Strahlrichtung hinten liegenden Ende jedes Synchrotron­ strahlungsabsorbers 2 ist ein zusätzlicher Absorber 3 aus Wolfram zur Absorption harter Röntgenstrahlung montiert. Die Synchrotron­ strahlungsabsorber 2 sind jeweils geschlossen, so dass sie den Strahl vollständig umgeben und so in das anschließende Vakuum­ system 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 Faltenbalg­ zwischenstücke 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 Hebelmecha­ nismus 4 weist zwei baugleiche Hebel auf, die jeweils an einem Ende mit dem ersten Synchrotronstrahlungsabsorber, an dem gegenüberliegenden Ende mit den zweiten Synchrotronstrahlungs­ absorber 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 Synchrotron­ strahlungsabsorber wie auf den Waagschalen montiert sind. Vorzugsweise sind die Drehlager so ausgestaltet, dass sie eine Lagerung unter minimaler Reibung gewährleisten, um eine Feinju­ stierung der Vorrichtung zu ermöglichen. Um solche Drehlager 8, 9 mit verschwindender Reibung zu realisieren, ist deren Aus­ bildung 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 Syn­ chrotronstrahlungsabsorber 2 senkrecht zur Längsachse 1 bewegt, wobei diese Bewegung durch den Hebelmechanismus 5 automatisch in eine symmetrisch entgegengesetzte Bewegung des anderen Syn­ chrotronstrahlungsabsorbers 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 (Antriebszylin­ der) automatisch in die geschlossene Stellung fallen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Strahl mit der geforderten Schnelligkeit geschlossen werden kann.

Claims (10)

1. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem für Syn­ chrotronstrahlung, 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 Synchrotron­ strahlungsabsorber entlang der Längsachse versetzt zuein­ ander, in der Ansicht in Richtung der Längsachse symmetrisch gegenüberliegend zur Längsachse angeordnet sind und senk­ recht zur Längsachse gegeneinander beweglich sind, so dass mit ihren Absorptionsflächen ein Spalt variabler Breite definierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchro­ tronstrahlungsabsorber (2) mechanisch gekoppelt zur relativ zur Längsachse (1) symmetrisch gegenläufigen Bewegung senk­ recht zur Längsachse (1) aufgehängt sind, so dass die Stel­ lung der Synchrotronstrahlungsabsorber mit einem einzigen steuerbaren Antriebsorgan (7) einstellbar ist.

2. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchrotron­ strahlungsabsorber (2) durch einen Hebelmechanismus (5) nach Art einer Hebelwaage miteinander gekoppelt sind.

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

4. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel­ mechanismus 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 Synchrotronstrahlungsabsor­ ber (2) so austariert sind, dass die Synchrotronstrahlungs­ absorber in Abwesenheit einer von dem Antriebsorgan aufge­ brachten 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 Synchrotronstrahlungs­ absorber 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 anschlie­ ßenden Strahlrohren durch Faltenbalgzwischenstücke (12) verbunden sind, um die relative Bewegung senkrecht zur Längsrichtung zu ermöglichen.

10. Hochleistungs-Strahlverschluss- und Spaltsystem nach einem der vorhergehenden 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.