DE10140050C1

DE10140050C1 - Optomechanisches Choppsystem und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10140050C1
Application number: DE2001140050
Authority: DE
Inventors: Frank Eggenstein
Original assignee: BERLINER ELEKTRONENSPEICHERRING-GESELLSCHAFT fur SYNCHROTRONSTRAHLUNG MBH; BERLINER ELEKTRONENSPEICHER
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-08-17

Abstract

Bekannte Choppsysteme zur zyklischen Unterteilung eines einzelnen Lichtstrahls arbeiten mit einem trommelförmigen Choppelement, das in der Ausbreitungsebene des Lichtstrahls rotiert. Die bekannten Choppelemente weisen gerade Teilungsverhältnisse auf und sind relativ massiv ausgeführt. Das erfindungsgemäße Chooppsystem für ein Doppellichtstrahlsystem weist als Choppelement (CE) ein Kronrad (CW) mit einzelnen, schmalen Kronstegen (CC) auf, die nach innen zulaufen und über scharfkantige Begrenzungen verfügen sowie an ihrem vom Kronrad (CC) abgewandten Ende nicht miteinander verbunden sind. Zur Unterbrechung eines Doppellichtstrahls ist ein ungerades Teilungsverhältnis N gewählt. Neben einer großen Effizienz kann insbesondere bei elliptischen Quellausdehnungen (DELTAx, DELTAy) durch das Choppen über die horizontal schmale Dispersionsbreite (DELTAx) auch die hohen Teilungsverhältnissen (N) ein relativ geringer Durchmesser des Kronrads (CW) und damit eine hohe Choppfrequenz erreicht werden. Verwendung findet das erfindungsgemäße Choppsystem bei Messaufgaben mit einzelnen Lichtpulsen, insbesondere auch bei Absorptionsmessungen an Materialproben mit zwei benachbarten Lichtstrahlen elliptischen Querschnitts aus einem Elektronenbeschleuniger.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optomechanisches Choppsystem zur zyklischen Unterbrechung von zumindest einem in einer Ausbreitungsebene verlaufenden Lichtstrahl der Dispersionshöhe Δy und der Dispersionsbreite Δx mittels zumindest einem von einem Elektromotor frequenzdurchstimmbar angetriebenen, trommelförmigen Choppelement, das in der Ausbreitungsebe ne rotiert, sodass der zumindest eine zu unterbrechende Lichtstrahl zweimal durch das Choppelement tritt, und senkrecht zur Ausbreitungsebene ausgerichtete Sperrbereiche mit einer Stegbreite Δx* aufweist, die umlaufend in einer Durchlassbereiche bildenden Abstandsbreite Δx** voneinander angeordnet sind, und einem die Anzahl der Choppzyklen pro Umdrehung bestimmenden Teilungsverhältnis N sowie auf eine Verwendung des opto mechanischen Choppsystems.

Mit einem optomechanischen Choppsystem kann ein kontinuierlicher Lichtstrahl in einzelne Pulse zerlegt und einer Probe zur Messung von deren Absorptionsverhalten zugeführt werden. Bei zwei oder mehreren benachbarten Strahlen kann über das Choppsystem dafür gesorgt werden, dass immer nur ein Puls die Probe trifft. Ein solches System weist ein mechanisches Element auf, das in die Strahlengänge der Lichtstrahlen eingreift und aus einer Vielzahl von einander abwechselnden optisch durchlässigen und optisch undurch lässigen Zonen besteht. Zu unterscheiden sind in der Hauptsache schwin gende und gleichförmig rotierende Choppsysteme. Zu den schwingenden Choppsystemen gehört der Pendelchopper, der bei sehr hohen Choppfre quenzen und kleinen Amplituden arbeitet, jedoch nicht in der Frequenz durchstimmbar ist. Wegen der einfachen Durchstimmbarkeit der Choppfre quenz und dem einfachen Prinzip zur Erreichung einer größtmöglichen Fehlerfreiheit dominieren daher in der optischen Messtechnik derzeit gleich förmig rotierende Choppsysteme mit einer Lochscheibe als Choppelement. Desweiteren werden sogenannte "Kronräder" verwendet, durch die der zu unterbrechende Lichtstrahl zweimal hindurchtritt.

Choppscheiben sind allgemein bekannt (vgl. beispielsweise DE 39 42 821 A1, DE 42 07 762 A1, EP 0 282 414 A2, US 3 711 208, US 4 272 197) und bestehen aus einer senkrecht zu der Ausbreitungsebene der Lichtstrahlen rotierenden, von einem Motor angetriebenen, flachen Scheibe mit integrierten Öffnungen von der Größe der Quellausdehnung, die für jeden zu choppenden Lichtstrahl auf einem gemeinsamen Umlaufkreis liegen. Beispielsweise haben die mit einem Undulator in einem Elektronenbeschleuniger erzeugbaren Lichtstrahlen eine Quellausdehnung mit einem elliptischen Querschnitt, bei dem die Dispersionshöhe Δy viel größer ist als die Dispersionsbreite Δx (vgl. Fig. 1). Bei zwei oder mehreren, in einer Ausbreitungsebene eng nebeneinander verlaufenden Lichtstrahlen weist die Scheibe entsprechend zwei oder mehrere Umlaufkreise unterschiedlicher Radien mit Öffnungen auf, die jeweils durch Sperrbereiche voneinander getrennt sind, die der Quellausdehnung entsprechend. Dadurch werden beispielsweise zwei unterschiedliche Licht strahlen alternierend in der Weise gechoppt, dass der eine Strahlenweg so lange gesperrt ist, wie der andere geöffnet ist und umgekehrt (Prinzip des Wechsellichtschalters). Bei mehr als zwei Lichtstrahlen ist immer ein Lichtstrahl eingeblendet, während die restlichen Lichtstrahlen ausgeblendet sind.

Ein wesentlicher Parameter rotierender Choppelemente ist das sogenannte "Teilungsverhältnis", das definiert ist als Quotient aus dem Umfang U des Choppelements und der für einen Choppzyklus erforderlichen Gesamtbreite benachbarter Durchlass- und Sperrbereiche, sodass die sich ergebende ganze Zahl die Anzahl der pro Umdrehung bewirkten Choppzyklen angibt. Dabei umfasst ein Choppzyklus bei einem Lichtstrahl dessen einmaliges Ein- und Ausschalten und bei zwei oder mehreren Lichtstrahlen das einmalig alternierende An- und Ausschalten aller Lichtstrahlen. Durch die bekannte Choppscheibe, die senkrecht zur Ausbreitungsebene der Lichtstrahlen rotiert, werden die Lichtstrahlen in vertikaler Richtung entlang der y-Achse zerhackt, sodass die für den Choppzyklus relevante Strahlausdehnung die vertikale Dispersionshöhe Δy ist. Es ergibt sich damit für zwei zu choppende benachbarte Strahlen ein Teilungsverhältnis von

N = U/4 Δy. (1)

Der Durchmesser der Choppscheibe ist dann in Abhängigkeit vom Abstand der beiden Strahlen, der in die Dispersionsbreite Δx einbezogen ist, annähernd

d_s = 4 NΔy/π. (2)

Beispielsweise ergibt sich bei einer zweifachen Quellausdehnung von Δy = 14 mm und Δx = 4 mm bei einer Übersetzung von N = 5 für fünf Choppzyklen pro Scheibenumdrehung ein Durchmesser für die rotierende Choppscheibe von d_s = 89 mm. Bei der Zerhackung eines einzelnen Lichtstrahls beträgt der Scheibendurchmesser immerhin noch d_s = 44,5 mm. Deutlich ist zu erkennen, dass bei einer anderen Quellausdehnung und bei höheren Teilungs verhältnissen der Durchmesser der Choppscheibe schnell ansteigt, wodurch die Konstruktion vergrößert und die Umlaufgeschwindigkeit gegebenenfalls erhöht werden muss, was wiederum eine erhöhte Anforderung an den Drehmotor, insbesondere bei Vakuumumgebung, darstellt. Weiterhin kann die Effizienz eines Choppsystems hinsichtlich der erreichbaren Transmission und der damit an Proben verbundenen Absorption beschrieben werden, wodurch auch ein Vergleich verschiedener Choppsysteme möglich ist. Mit der bekannten Choppscheibe kann jedoch nur 50% des Lichts genutzt werden (vgl. Erläuterungen zu Fig. 6), sodass nur eine relativ geringe Effizienz erreicht wird.

Aus den japanischen Abstracts JP 61170717 AA und JP 62178208 AA sind rotierende trommelförmige Choppelemente bekannt, durch die der zu unterbrechende Lichtstrahl zweimal hindurchtritt. Die bekannten Chopp elemente bestehen aus geschlossenen Trommeln, die die Sperrbereiche bilden und fensterförmige Ausnehmungen in der Trommelwandung als Durchlassbereiche aufweisen. Sie rotieren senkrecht zur Ausbreitungsebene des zu unterbrechenden Lichtstrahls, sodass dieser entlang seiner vertikalen Ausdehnung zyklisch ein- und ausgeblendet wird. Aus dem japanischen Abstract JP 07318817 AA und der deutschen Patentschrift DD 01 54 558 B hingegen sind ähnlich aufgebaute Choppelemente bekannt, die jedoch in der Ausbreitungsebene des zu unterbrechenden Lichtstrahls rotieren. Dadurch wird der Lichtstrahl entlang seiner horizontalen Ausdehnung zyklisch ein- und ausgeblendet. Die verwendeten Choppelemente sind dabei sehr massiv aufgebaut und weisen große Sperrbereiche auf. Das aus der deutschen Patentschrift bekannte Choppelement wird magnetisch angetrieben und ist für einen Einsatz im Hochvakuumbereich, beispielsweise für die Vakuum spektroskopie, geeignet. Ein ebenfalls in der Ausbreitungsebene des Lichts trahls rotierendes, trommelförmiges Choppelement ist aus der französischen Offenlegungsschrift FR 2319917 A1 bekannt. Dieses bekannte Element weist schlitzartige Ausnehmungen mit unterschiedlichen Teilungen in verschiedenen axialen Bereichen auf und dient der optischen Detektion seiner Mittenachse zur Positionsermittlung bewegter Objekte. Hierzu wird der zu unterbrechende Lichtstrahl zunächst mittels einer Kondenserlinse aufgeweitet und axial in die Mitte des Choppelementes geleitet, wo er über ein Prisma rechtwinklig umgelenkt wird. Der Lichtstrahl tritt somit nur einmal durch das Choppelement hindurch. Sein dabei durch die unterschiedlichen Schlitzbereiche entstehendes Interferenzbild wird anschließend optisch detektiert.

Alle genannten trommelförmigen Choppelemente sind zur Unterbrechung eines einzelnen Lichtstrahls geeignet und weisen ein gerades Teilungsverhältnis N auf. Dadurch liegen sich Sperr- und Durchlassbereiche immer diametral am Umfang des trommelförmigen Choppelementes gegenüber. Eine alternierende Unterbrechung von zwei eng in der Ausbreitungsebene benachbarten, prinzipiell parallel verlaufenden Strahlen ist nicht möglich, da einer der beiden Strahlen außermittig verläuft oder beide Strahlen nur teilweise im Mittenbereich erfasst werden.

Ausgehend von dem durch die bekannten, trommelförmigen Choppelemente mit einer Rotation in der Ausbreitungsebene des zumindest einen Lichtstrahls gebildeten Stand der Technik ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin zu sehen, das eingangs beschriebene Choppsystem so weiterzubilden, dass auch zwei eng benachbart in der Ausbreitungsebene verlaufende Lichtstrahlen alternierend und zyklisch unterbrochen werden können. Dabei soll das trommelförmige Choppelement einfach aufgebaut und herstellbar sein. Es soll auch bei groß gewählten Teilungsverhältnissen in seinen Abmessungen kompakt im Sinne von möglichst klein ausgebildet ist, sodass moderate Umlaufgeschwindigkeiten erzielbar sind. Weiterhin soll mit dem Choppsystem nach der Erfindung eine möglichst große Effizienz bei der Lichtausnutzung erreicht werden.

Als Lösung ist bei dem erfindungsgemäßen Choppsystem der gattungsge mäßen Art deshalb vorgesehen, dass das Choppelement in der Form eines Kronrads mit Kronstegen als Sperrbereiche ausgebildet ist, die Kronstege an ihrem vom Kronrad abgewandten Ende keine Verbindung miteinander auf weisen und im Querschnitt dreiecks- oder rautenähnlich mit scharfen Seitenkanten ausgebildet sind und dass zur alternierenden, zyklischen Unterbrechung von zwei eng benachbarten Lichtstrahlen das Teilungs verhältnis N ungerade gewählt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Choppsystem wird ein Kronrad als Chopp element in den Lichtstrahlen gedreht. Die Lichtstrahlen werden in horizontaler Richtung entlang der x-Achse zerlegt. Insbesondere bei elliptisch ausge bildeten Querschnitten bedeutet dies eine Zerlegung über die kleinere Halbachse Δx, wodurch gemäß Gleichung (2) sehr kleine Durchmesser des Choppelements erreichbar sind. Die Lichtstrahlen werden von dem gleichen Durchlass- und Sperrbereich geschaltet. Der Durchmesser des Kronrads kann bei der Erfindung relativ klein bemessen werden, da nur die Breite der kleinen Halbachse einmal für den Durchlassbereich und einmal für den Sperrbereich zur Erreichung eines Choppzyklus eingeht. Diese werden gebildet von schmalen Kronstegen, die auf Abstand am Umfang des Kronrads angeordnet sind. Da das Choppen in horizontaler Richtung erfolgt, ist auch die hier vorliegende Größe der Quellausdehnung für die Breitenbemessung der Kronstege und der Spalten relevant. Bei einem elliptischen Lichtstrahl mit der kleinen Halbachse Δx ist dies also die relevante Größe für die Breite der Kronstege und deren Abstände.

Als weiterer Vorteil ist für das erfindungsgemäße Choppsystem mit einem Kronrad als Choppelement eine gute Leistungsbilanz zwischen absorbierter und transmittierter Leistung zu nennen. Diese beruht auf dem Choppverhalten des Kronradchoppers nach der Erfindung, der aus der Mitte des Lichtstrahls öffnet und diesen vom Rand her wieder schließt. Unter der Annahme einer gaußverteilten Intensität im Lichtstrahl ergibt sich daraus eine besonders hohe Transmissionsleistung. Weitere Einzelheiten hierzu siehe im speziellen Beschreibungsteil.

Bei dem erfindungsgemäßen Choppsystem mit Kronrad passieren die Licht strahlen sowohl die Kronstege auf dem den Lichtstrahlen jeweils zugewandten Rand (Eintritt in das Kronrad) als auch die Kronstege auf dem diametral gegenüberliegenden Rand (Austritt aus dem Kronrad). Dadurch haben die jeweils dort angeordneten Kronstege gleichzeitig Einfluss auf den Durchtritt des jeweiligen Lichtstrahls oder dessen Sperrung. Durch dieses Zusammen wirken wird es für die Wahl des Teilungsverhältnisses N wichtig, ob eine ungerade oder eine gerade Anzahl von Lichtstrahlen mit dem Kronrad gechoppt werden sollen. Im ersten Fall ist ein gerades Teilungsverhältnis zu wählen, um zu gewährleisten, dass immer diametral gegenüber einem Spalt zwischen zwei Kronstegen auch wiederum ein Spalt liegt, durch den der mittig liegende Lichtstrahl hindurchtreten kann. Im zweiten Fall ist das Teilungs verhältnis ungerade zu wählen, damit für die beiden mittig liegenden Licht strahlen gleichzeitig alternierend sowohl der Durchlass- als auch der Sperrzustand erreicht wird. Weitere Einzellheiten hierzu sind ebenfalls dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen, da diese anhand einer figürlichen Darstellung besser verdeutlicht werden können.

Aufgrund der geringen Abmaße des Kronrads kann bei dem erfindungs gemäßen Choppsystems auch eine besondere Kompaktheit erreicht werden. Dabei ist bei dem erfindungsgemäßen Choppsystem vorteilhaft vorgesehen, dass die Kronstege an ihrem vom Kronrad abgewandten Ende keine Verbindung miteinander aufweisen. Eine solche Form ist herstellungstechnisch relativ einfach zu erstellen. Aufgrund ihrer geringen Abmaße benötigen die Kronstege an ihrer dem Kronrad abgewandten Seite keine zusätzliche Stabilisierung durch eine weitere Verbindung untereinander. Weiterhin ist es bei der Erfindung von Vorteil, dass die Kronstege im Querschnitt dreiecks- oder rauentenähnlich ausgebildet sind und scharfe Seitenkanten aufweisen. Im Einzelnen handelt es sich bei den Ausbildungen um geschickte Anordnungen einzelner Radien. Durch die dergestalt Erzeugten "scharfen" Seitenkanten können Streuungseffekte weitgehend vermieden werden: Außerdem wird zusätzlich Material eingespart und das Kronrad entsprechend leichter, was seinen Drehantrieb erleichtert.

Um sicher zu gewährleisten, dass das Kronrad den jeweiligen Lichtstrahl auch vollständig ausblendet und nicht aufgrund von Fertigungstoleranzen Spalte bleiben, ist es nach einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Choppsystems besonders vorteilhaft, wenn die Kronstege eine Stegbreite Δx* aufweisen, die bei einer Dispersionshöhe Δy im Bereich von bis zu 20 mm und bei einer Dispersionsbreite Δx im Bereich von 4 mm ungefähr 0,1 mm größer ist als die Dispersionsbreite Δx des zu unterbrechenden Lichtstrahls.

Analog zu Gleichung (1) ist bei dem erfindungsgemäßen Choppsystem das Teilungsverhältnis gegeben durch

N = U/2 Δx (3)

und analog zu Gleichung (2) folgt daraus für den Durchmesser

d_k = 2 N Δx/π. (4)

Wählt man wiederum ein Teilungsverhältnis von N = 5 und elliptische Strahlabmessungen von Δy = 14 mm und Δx = 4 mm ergibt sich nunmehr ein Durchmesser des Kronrades von nur noch d_k = 12,7 mm, dabei ist es für die Bemessung des Durchmessers unerheblich, ob ein oder zwei Strahlen gechoppt werden sollen. Gegenüber den bei der Choppscheibe benötigten 89 mm bzw. 44,5 mm für den Durchmesser d_s ist hier also eine deutliche Verkleinerung zu erkennen, was sich insbesondere auf die Umlaufgeschwin digkeit und damit auf die Antriebsgeschwindigkeit des Motors und auf die erzielbare Choppfrequenz auswirkt. Insbesondere bei Vakuummotoren können hohe Drehzahlen wegen einer thermischen Überlastung zu Zerstörungen führen. Selbst bei hohen Teilungsverhältnissen wird das Kronrad nicht überpro portional groß (vgl. Fig. 4). Ein Vergleich der Ausmaße von Scheibe und Kronrad lässt sich direkt mit den Gleichungen (2) und (4) zur Bestimmung der Durchmesser angeben. Das Größenverhältnis V zwischen den beiden Choppelementen ergibt sich zu:

V = d_s/d_k = 4 Δy/2 Δx = 2 Δy/Δx. (5)

Mit dem Kronrad als Choppelement bei der Erfindung ist eine zyklische Unterbrechung von zwei benachbarten Lichtstrahlen in beide Richtungen möglich. Bei den genannten Halbachsenwerten von Δy = 14 mm und Δx = 4 mm entspricht dies einem Verhältnis von V = 7. Wählt man nunmehr ein Teilungsverhältnis von N = 35, ergibt sich für das Kronrad des erfindungs gemäßen Choppsystems ein Durchmesser von d_k = 89 mm. Für die Chopp scheibe wäre ein Durchmesser d_s = 623 mm erforderlich. Mit 89 mm kann lediglich ein Teilungsverhältnis von N = 5 realisiert werden. Da in die Größenbemessung des Kronrads die Dispersionshöhe Δy des Lichtstrahls nicht eingeht, kann insbesondere die Akzeptanz in dieser Dispersionsrichtung bei dem zu choppenden Lichtstrahl erhöht werden. Beispielsweise ist eine Erhöhung auf Δy = 20 mm ohne Weiteres möglich, sodass andere oder erweiterte Experimente mit dem gepulsten Lichtstrahl durchgeführt werden können. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Ionisierung von Helium mittels eines Monochromators handeln. Die Ionisationsenergie von Helium beträgt ungefähr 64 eV. Je niedriger die Ionisationsenergie ist, desto niedriger ist die Photonenenergie des Undulators, wodurch wiederum eine größere vertikale Divergenz des Undulatorstrahles hervorgerufen wird.

Weiterhin sind verschiedene Kombinationen mehrerer, zusammenwirkender Kronräder möglich. Insbesondere kann es sich hierbei gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Choppsystems nach der Erfindung darum handeln, dass mehrere Kronräder unterschiedlichen Durchmessers konzentrisch ineinander liegend angeordnet sind und jeweils einen entgegengesetzten Drehsinn aufweisen. Mit einer derartigen Parallelanordnung ist eine weitere Erhöhung der erreichbaren Choppfrequenz möglich. Bei unterschiedlichen Drehzahlen lassen sich darüber hinaus bestimmte Teile der zu betrachtenden Lichtquelle selektieren. Somit wird es möglich, auch Anteile eines Lichtstrahls zu choppen. Eine Selektion von bestimmten Teilen der Lichtquelle in der Ebene der Lichtquelle wird möglich, wenn nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung vorgesehen ist, dass mehrere, jeweils um 90° verdrehte Kronräder hintereinander liegend angeordnet sind. Mit dieser Reihenschaltung kann dann zum Beispiel bei zwei senkrecht zueinander laufenden Kronrädern eine Selektion der Lichtquelle in zwei Raumrichtungen erfolgen.

Eine besonders bevorzugte Verwendung ergibt sich für das beschriebene Choppsystem nach der Erfindung in einem Elektronenspeicherring mit einem Undulator, der zwei Lichtstrahlen mit elliptischem Querschnitt und angenähert gaußförmiger Intensitätsverteilung über den Querschnitt erzeugt, die in einer Ausbreitungsebene unter einem Winkel in einem Bereich von 0,4 mrad zueinander in einem Strahlführungssystem verlaufen, zwischen einem Fokussierspiegel und einem Plangittermonochromator im Strahlführungs system. Die in einem Undulator (insbesondere der spezielle Undulatortyp Ue 56 bei BESSY) erzeugten Lichtstrahlen, die benachbart unter einem gegebenenfalls veränderbaren Abstrahlwinkel in einer Ausbreitungsebene verlaufen, werden beispielsweise zu Absorptionsmessungen an Proben eingesetzt, deren Materialeigenschaften untersucht werden sollen (Erforschung des Dichroismus mit zirkular polarisierter Strahlung). Dabei darf jedoch immer nur ein Lichtstrahl bzw. ein Lichtpuls die Probe erreichen. Dieser muss außerdem die Forderung erfüllen, dass die örtlich auf der Probe akkumulierte Leistung immer konstant ist. Auch deshalb eignet sich diese Anordnung in besonderer Weise für den Einsatz des Choppsystems nach der Erfindung mit einem Kronrad als Choppelement, obwohl es auch für den Einsatz bei anderen Lichtquellen, beispielsweise bei Lasern oder anderen Laborquellen, geeignet ist. Ein dem speziellen Beschreibungsteil zu ent nehmender Vergleich zeigt, dass auch die zuletzt genannte Forderung von dem erfindungsgemäßen System optimal erfüllt wird.

Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Choppsystems mit einem Kron rad als Choppelement werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Quellausdehnung zweier benachbarter Lichtstrahlen,

Fig. 2 die Intensitätsverteilung in einem elliptischen Lichtstrahl,

Fig. 3 den Aufbau eines Kronrads in Seiten- und Draufsicht,

Fig. 4a, b, c ein Kronrad in verschiedenen perspektivischen Ansichten,

Fig. 5 Momentdarstellungen des Choppvorganges von zwei benach barten Lichtstrahlen mit einem Kronrad und

Fig. 6 einen Vergleich des erfindungsgemäßen Choppsystems mit anderen bekannten Choppsystemen.

In der Fig. 1 ist die Quellausdehnung eines Paars von zwei benachbarten Lichtstrahlen dargestellt, wie sie in einem Elektronenspeicherring erzeugt werden kann. Dargestellt ist die berechnete Strahlverteilung in elliptischen Undulatoren im Ultra-Hochvakuum im Elektronenspeicherring BESSY II. Die UE-56-Undulatoren bestehen aus zwei Magnetstrukturen mit 31 verschieb baren Magneten von je 56 mm Länge, womit im Elektronenspeicherring BESSY II lineare und polarisierte Strahlung erzeugt werden kann. Durch eine besondere Führung der Elektronen vor den beiden Magnetstrukturen liefert der Undulator zwei benachbarte Lichtstrahlen, die horizontal unter einem Winkel von 0,4 mrad getrennt in ein Strahlrohrsystem laufen. Mit einem geeigneten Choppsystem wird jeweils nur einer der beiden Lichtstrahlen zum Experiment durchgelassen. Das Choppen der beiden Strahlen wird zwischen einem Fokussierspiegel und dem Austrittsspalt eines Plangittermonochromators im Strahlführungssystem vorgenommen. An dieser Stelle zeigen Berechnungen, wie der Schnitt durch einen Doppelstrahl gemäß Fig. 1 aufzeigt, eine jeweils elliptische Strahlausdehung. Die große Halbachse in Dispersionsrichtung ist mit Δy (Dispersionshöhe) und die senkrecht dazu liegende kleine Halbachse mit Δx (Dispersionsbreite) bezeichnet. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch anders geformte Lichtstrahlen - als Einzel- oder als Doppelstrahl -, insbesondere auch solche mit einem kreisförmigen Querschnitt, ohne Weiteres mit dem Choppsystem nach der Erfindung durch Verschieben des gesamten Choppsystems in horizontaler Richtung zum Lichtstrahl unter Erzielung der genannten Vorteile gechoppt werden können.

In der zugehörigen Fig. 2 ist für den weiter unten beschriebenen Vergleich der Transmission der verschiedenen Choppsysteme die Intensitätsverteilung in den beiden Dispersionsrichtungen x und y in einem elliptischen Lichtstrahl dargestellt. Diese wird für die mathematische Berechnung als gaußförmige Verteilung angenommen.

Die Fig. 3 zeigt das Choppelement CE des erfindungsgemäßen Chopp systems, das als Kronrad CW ausgebildet ist, in der Seitenansicht (links) und in der Draufsicht (rechts). Das Kronrad CW besteht aus einem Boden CB mit einem Durchmesser d_k, an dessen Rand BB umlaufend einzelne Kronstege CC angeordnet sind. Diese weisen einen dreieckigen Querschnitt auf und sind an ihrer vom Boden CB abgewandten Seite nicht weiter miteinander verbun den. Die Kronstege CC bilden Sperrbereiche NTA für den zu choppenden Lichtstrahl und haben eine Stegbreite Δx*, die dessen Dispersionsbreite Δx entspricht. Die Kronstege CC sind mit einer Abstandsbreite Δx** auf dem Rand BB des Kronrads CW angeordnet, durch die Durchlassbereiche TA für den zu choppenden Lichtstrahl gebildet werden. Das dargestellte Kronrad CW hat ein Teilungsverhältnis N = 5, das heißt, es sind fünf Kronstege CC mit einer Abstandsbreite Δx** gleichmäßig auf dem Rand BB des Kronrads CW verteilt. Sowohl Durchlass- als auch Sperrbereich TA, NTA überdecken jeweils einen Winkel von 36°. Pro Umdrehung des Kronrads CW können somit fünf Choppzyklen durchgeführt werden. Aufgrund des relativ geringen Durch messers d_k des Kronrads CW ist damit mit dem erfindungsgemäßen Chopp system eine hohe Choppfrequenz erreichbar. Die in der Fig. 3 angegebenen Bemaßungen sind beispielhaft anzusehen.

In den Fig. 4a, b, c ist ein Kronrad CW vom Typ des in Fig. 3 gezeigten Kronrads mit einem Teilungsverhältnis N = 35 perspektivisch und in der Draufsicht in verkleinertem Maßstab dargestellt. Neben 35 Kronstegen CC ist außerdem eine Achse CR für einen nicht weiter dargestellten Antrieb zu sehen. Bei einer angenommenen Dispersionsbreite von Ax = 4 mm und einer daraus folgenden Stegbreite von Δx* = 4 mm und Abstandsbreite von Δx** = 4 mm weist das Kronrad CW lediglich einen Durchmesser von d_k = 89 mm auf. Somit sind für große Teilungsverhältnisse N besonders hohe Choppfrequenzen erreichbar, ohne dass das Kronrad CW überproportional groß wird. In der Fig. 4b sind zur besseren Veranschaulichung zwei Lichtstrahlen LB₁, LB₂ und die Ausbreitungsebene LP eingezeichnet, in der sie liegen. Deutlich ist zu erkennen, das sich das Kronrad CW in der Ausbreitungsebene LP dreht.

Die Fig. 5 zeigt verschiedene Momentdarstellungen (Winkelangaben) eines Choppvorganges mit einem Kronrad CW des Choppsystems nach der Erfin dung mit einem ungeraden Teilungsverhältnis N = 5 in der Draufsicht. Die Drehebene (Rotationspfeil) des Kronrads CW liegt in der Ausbreitungsebene LP von zwei Lichtstrahlen LB₁, LB₂, die Ein- und Ausblendung der Strahlen erfolgt horizontal. Für die Lichtstrahlen LB₁, LB₂, die durch zwei Blenden CA₁, CA₂ geführt werden, sind gaußsche Intensitätsprofile angedeutet, der jeweils transmittierenden Strahlanteil ist grau gekennzeichnet.

In der Ausgangsposition (0°) wird der Lichtstrahl LB₁ durch die Stellung der Kronstege CC vollständig durchgelassen, wohingegen der Lichtstrahl LB₂ vollständig gesperrt wird. Im Verlauf der Drehung der Kronrads CW entgegen dem Uhrzeigersinn wird der Lichtstrahl LB₁ von seinen Rändern her durch die Kronstege CC₁, CC₂ zunehmend gesperrt. Bei einer Winkelposition von 18° ist bei dem gewählten Teilungsverhältnis N = 5 auch der Lichtstrahl LB₁ gerade gesperrt. Bei einer Weiterdrehung (21°) wird nun der zweite Lichtstrahl LB₂ von seiner Mitte her durchgelassen und bei einer Winkelposition von 36° vollständig durchgelassen. Ein halber Choppzyklus ist damit durch eine Drehung des Kronrads CW um 36° durchfahren, der Ausgangszustand wird nach einer weiteren Drehung um 36° wieder erreicht, sodass insgesamt fünf vollständige Choppzyklen pro Umdrehung des Kronrads CW (N = 5) erzeugt werden.

Die Fig. 6 zeigt einen Vergleich des Choppsystems nach der Erfindung mit dem Kronrad als Choppelement (rechte Spalte) mit dem bekannten Chopp system mit Lochscheibe als Choppelement (linke Spalte) und dem bekannten Choppsystem mit Pendel als Choppelement (mittlere Spalte). Es werden die Torbreite als Funktion der Zeit (obere Zeile), die Transmission als Funktion der Zeit bei einer angenommene Choppfrequenz von 25 Hz (mittlere Zeile) und die örtlich akkumulierte Lichtleistung an der Probe (○) und am Choppelement (⚫) (untere Zeile) als Maß für die Effizienz der unterschiedlichen Choppsysteme miteinander verglichen. Dabei wird für die mathematische Beschreibung eine normierte gaußförmige Intensitätsverteilung der Lichtstrahlen angenommen (vgl. Fig. 2). Die normierte Gleichung:

mit den Werten σ_x = Δx/5, x_s = Δx/2, σ_y = Δy/5 und y_s = Δy/2 soll die Intensitäts verteilung der Lichtstrahlen in der Ebene beschreiben und für die Betrachtung eines Lichtstrahles genügen.

Das zeitliche Verhalten des Öffnens und Schließens der einzelnen Chopp elemente ist für einen halben Choppzyklus dargestellt. Die Lochscheibe öffnet und schließt vom Rand des Lichtstrahls her gleichförmig. Auf einer Probe wird die transmittierte Lichtleistung über die Dauer eines Choppzyklus' homogen von der Probe akkumuliert. Der Anteil der absorbierten Lichtleistung der Lochscheibe ist gleich dem transmittierten Anteil. Bei einem Choppzyklus kann somit nur 50% des Lichts genutzt werden.

Bei der Berechnung für das Pendel als Choppelement resultiert die zeitliche Torbreitenfunktion aus einer beschleunigten Bewegung. Es zeigt sich eine positive Bilanz zwischen transmittierter (○) und absorbierter (⚫) Strahlung. Diese wird aber wegen der beschleunigten Bewegung inhomogen von der Probe akkumuliert. Weil das Pendel beschleunigt von links nach rechts öffnet und von rechts nach links schließt, verschiebt sich die Leistungsverteilung für den linken von zwei Strahlen nach links. Für den rechten Strahl öffnet das Pendel jedoch von rechts nach links und schließt von links nach rechts, sodass die akkumulierte Leistung hier nach links verschoben wird. Die Forderung, dass die akkumulierte Leistung auf der Probe für beide Lichtstrahlen örtlich konstant sein muss, wird für das Choppsystem mit Pendel nicht erfüllt, sodass dieses nicht geeignet ist.

Ds Kronrad des Choppsystems nach der Erfindung öffnet dagegen von der Strahlenmitte und schließt vom Strahlenrand her. Wegen der gaußverteilten Intensität ergibt sich damit eine hohe Transmission und eine besonders gute und konstant symmetrische Bilanz zwischen transmittierter (○) und absorbierter Strahlung (⚫).

Bezugszeichenliste

BB Rand Kronrad
CA Blende
CB Boden Kronrad
CC Kronsteg
CE Choppelement
CW Kronrad
d_k

Durchmesser Kronrad
LB Lichtstrahl
LP Ausbreitungsebene
N Teilungsverhältnis
NTA Sperrbereich
TA Durchlassbereich
Ax Dispersionsbreite
Δx* Stegbreite
Δx** Abstandsbreite
Δy Dispersionshöhe

Claims

1. Optomechanisches Choppsystem zur zyklischen Unterbrechung von zumindest einem in einer Ausbreitungsebene verlaufenden Lichtstrahl der Dispersionshöhe Δy und der Dispersionsbreite Δx mittels zumindest einem von einem Elektromotor frequenzdurchstimmbar angetriebenen, trommelförmigen Choppelement, das in der Ausbreitungsebene rotiert, sodass der zumindest eine zu unterbrechende Lichtstrahl zweimal durch das Choppelement tritt, und senkrecht zur Ausbreitungsebene ausgerichtete Sperrbereiche mit einer Stegbreite Δx* aufweist, die umlaufend in einer Durchlassbereiche bildenden Abstandsbreite Δx** voneinander angeordnet sind, und einem die Anzahl der Choppzyklen pro Umdrehung bestimmenden Teilungsverhältnis N, dadurch gekennzeichnet, dass das Choppelement (CE) in der Form eines Kronrads (CW) mit Kronstegen (CC) als Sperrbereiche (NTA) ausgebildet ist; die Kronstege (CC) an ihrem vom Kronrad (CW) abgewandten Ende keine Verbindung miteinander aufweisen und im Querschnitt dreiecks- oder rautenähnlich mit scharfen Seitenkanten ausgebildet sind und dass zur alternierenden, zyklischen Unterbrechung von zwei eng benachbarten Lichtstrahlen (LB₁, LB₂) das Teilungsverhältnis N ungerade gewählt ist.

2. Optomechanisches Choppsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kronstege (CC) eine Stegbreite Δx* aufweisen, die bei einer Dispersions höhe Δy im Bereich von bis zu 20 mm und bei einer Dispersionsbreite Δx im Bereich von 4 mm ungefähr 0,1 mm größer ist als die Dispersionsbreite Δx des zu unterbrechenden Lichtstrahls (LB).

3. Optomechanisches Choppsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kronräder unterschiedlichen Durchmessers konzentrisch ineinander liegend angeordnet sind und jeweils einen entgegengesetzten Drehsinn aufweisen.

4. Optomechanisches Choppsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass mehrere, jeweils um 90° um die Ausbreitungsrichtung des zu unterbrechenden Lichtstrahls verdrehte Kronräder hintereinander liegend angeordnet sind.

5. Verwendung des optomechanischen Choppsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Elektronenspeicherring mit einem Undulator, der zwei Lichtstrahlen mit elliptischem Querschnitt und angenähert gaußförmiger Intensitätsverteilung über den Querschnitt erzeugt, die in einer Ausbreitungs ebene unter einem Winkel in einem Bereich von 0,4 mrad zueinander in einem Strahlführungssystem verlaufen, zwischen einem Fokussierspiegel und einem Plangittermonochromator im Strahlführungssystem.