DE102010023632B4

DE102010023632B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE102010023632B4
Application number: DE201010023632
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2030-06-15
Also published as: DE102010023632A1

Abstract

Vorrichtung (2) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung einer Hauptwellenlänge (λH) mit einem kristallinen Undulator (6) mit einer mittleren Kristallundulatorstrahlachse (22), mit einem Teilchenbeschleuniger (17) zur Erzeugung eines Teilchenstrahls (30) elektrisch geladener Teilchen, und mit einem elektromagnetischen Undulator (16) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung einer Nebenwellenlänge (λN) mit einer mittleren Undulatorstrahlachse (26), die derart konfiguriert ist, dass die Kristallundulatorstrahlachse (22) und die Undulatorstrahlachse (26) im Wesentlichen übereinstimmen und dass der im Teilchenbeschleuniger (17) beschleunigte Teilchenstrahl (30) im Betriebszustand zuerst zumindest teilweise den elektromagnetischen Undulator (16) und anschließend den kristallinen Undulator (6) durchläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung.
Technische Vorrichtungen bzw. Geräte zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung nehmen in modernen Zivilisationen eine bedeutende Stellung ein. Sie reichen von Strahlungsquellen im Radiofrequenzbereich, wie beispielsweise Radiosender oder Radaranlagen, über Strahlungsquellen für sichtbares Licht und Strahlungsquellen für Röntgenlicht, die beispielsweise im medizinischen Bereich Verwendung finden, bis hin zu Strahlungsquellen für noch energiereichere Strahlung. Die durch eine solche Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung hat jeweils charakteristische Eigenschaften, die sich beispielsweise durch intensität, Frequenz bzw. Frequenzspektrum, sowie Kohärenz ausdrücken lassen.
Elektromagnetische Strahlung, die ein extrem enges Frequenzband und eine hohe Kohärenz aufweist, lässt sich durch einen Laser erzeugen. Die von dem Laser ausgesandten Photonen weisen im Wesentlichen alle die gleiche Frequenz auf und sind über eine lange räumliche Distanz, die als Kohärenzlänge bezeichnet wird, im Wesentlichen phasensynchron. Je nach Frequenzbereich arbeiten Laser mit unterschiedlichen Medien. Das jeweilige Medium weist einen Grundzustand und einen angeregten Zustand auf, wobei durch einen (optischen) Pumpvorgang (gewöhnlich über einen dritten, energetisch noch höher liegenden Pump-Zustand) dem Medium derart Energie zugeführt wird, dass eine Besetzungsinversion eintritt, bei der der angeregte Zustand eine höhere Besetzungswahrscheinlichkeit hat als der Grundzustand. Durch stimulierte Emission bei Übergängen des Mediums vom angeregten Zustand in den Grundzustand gibt dann das Medium kohärente elektromagnetische Strahlung ab.
Laser sind aus der modernen Forschung nicht mehr wegzudenken. Sie spielen beispielsweise eine wichtige Rolle in der modernen Atomphysik, da sich Quantenprozesse auf atomarer Ebene mit Hilfe von kohärentem Licht besonders gut studieren und kontrollieren lassen. Der Laser hat hier ganz neue Bereiche und Forschungsrichtungen, wie z. B. die Quantenoptik, eröffnet. Laser werden weiterhin in der Materialforschung eingesetzt, wo durch einen gezielten Beschuss des Materials mit Laserstrahlung Materialeigenschaften genau bestimmt werden können. Sie finden auch Anwendung als Schneid- und Schweißwerkzeug.
In der Medizintechnik finden Laser in ganz unterschiedlichen Bereichen Verwendung. Der Augenarzt kann beispielsweise mit Hilfe eines Lasers Fehlsichtigkeit korrigieren oder eine Netzhautablösung behandeln. Laser finden auch in der Dermatologie und der Zahnheilkunde Verwendung und werden in vielen Bereichen operativ als Laserskalpell eingesetzt.
Die Erzeugung von kohärentem Licht ist nicht auf den sichtbaren Bereich beschränkt. Kohärente elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich kann durch sogenannte Maser erzeugt werden. Weltweit finden Bestrebungen statt, mit Hilfe eines Lasers kohärentes Röntgenlicht zu erzeugen. Der geplante XFEL-Laser am DESY (siehe http://xfel.desy.de, dort insbesondere den Technical Design Report) soll eine Photonenenergie von 12,4 keV erreichen. Derart energiereiches Laserlicht eröffnet in Forschung und Anwendung viele zusätzliche Möglichkeiten.
Die US 4 817 124 A beschreibt einen Hochfrequenzlaser zur Erzeugung von elekt- romagnetischer Strahlung im UV- und Röntgenbereich, wobei ein Strahl geladener Teilchen durch einen Undulator geschickt wird.
Aus vielerlei Hinsicht ist es wünschenswert, kohärentes Licht mit noch höheren Wellenlängen, insbesondere Gammastrahlung, technisch erzeugen zu können. Dementsprechend gab es bereits viele Bemühungen, einen sogenannten Gammalaser herzustellen, der kohärente elektromagnetische Strahlung mit einer Photonenenergie im Megaelektronenvoltbereich erzeugt. Mit einem solchen Gammalaser ließen sich nukleare, quantenmechanische Prozesse ähnlich präzise und genau studieren bzw. kontrollieren, wie das für elektronische Prozesse im Rahmen der Quantenoptik heute möglich ist. Ein Gammalaser könnte auch das Problem des nuklearen Abfalls, der bei dem Betrieb von Kernspaltungsreaktoren entsteht, lösen bzw. stark vermindern, da er zur Transmutation von Elementen mit langen Halbwertszeiten in kurzlebige Elemente eingesetzt werden könnte. Er könnte darüberhinaus die Spaltung schwerer Elemente auslösen.
Im medizinischen Bereich sind ebenfalls vielfältige Anwendungen für Gammalaser denkbar. Mit Hilfe eines Gammalasers können beispielsweise medizinisch nützliche radioaktive Isotope erzeugt werden. Er kann auch die Produktion von Positronen in Materie initiieren und so indirekt als Positronenquelle für bildgebende Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) dienen.
Ein Neutronen-getriebener Gammalaser ist beispielsweise in der US 4 939 742 A offenbart. Ein Gammalaser, bei dem zur Erzeugung von Gammastrahlung ein Elektronen- und ein Positronenstrahl eingesetzt werden, ist aus der EP 0 715 381 B1 bekannt.
Die Konzeption und technische Realisierung eines Gammalasers bereitet erhebliche prinzipielle und praktische Schwierigkeiten. Aufgrund der hohen Energie bzw. Frequenz der Strahlung können beispielsweise keine gewöhnlichen Spiegel verwendet werden, mit deren Hilfe die Gammastrahlung in einem Hohlraum hin und her reflektiert werden kann.
Die größte Schwierigkeit besteht darin, ein Medium zu finden, dass zu einer Besetzungsinversion gebracht werden kann. Die Energiedifferenz zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand muss dabei im Megaelektronenvoltbereich liegen. Dafür kommen im Wesentlichen nur nukleare Übergänge in Rage. Insbesondere langlebige isomere Zustände könnten sich für eine Inversion eignen. Ein zusätzliches Problem bei diesen hohen Frequenzen besteht aber darin, dass sich bei der Emission des Strahlungsquantums aufgrund des Rückstoßes des Atomkerns die Photonenenergie in nicht vernachlässigbarer Weise ändert, worunter die Monochromasie der Strahlung leidet. Einen in der Literatur diskutierten Ausweg dazu bilden rückstoßfreie Möbauer-Übergänge.
In der Publikation A. V. Korol, A. V. Solov'yov, W. Greiner, J. Phys. G 24 (1998) L45 wurde ein alternativer Weg beschrieben, wie kohärente Gammastrahlung erzeugt werden kann. Dazu wird ein Strahl von auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigten Positronen durch ein im Wesentlichen periodisch gebogenes Kristallgitter geschickt. Wenn die Teilchen in kleinem Winkel zu einer Gitterachse oder Gitterebene eingeschossen werden, werden sie durch das Potential der geordneten bzw. regelmäßig angeordneten Atome gewissermaßen eingesperrt und folgen somit der Form der Achse bzw. der Ebene. Dieser physikalische Effekt heißt Gitterführung oder Kanalführung. Der oben genannte Winkel ist als Lindhard-Winkel bekannt und lässt sich durch Eigenschaften des Gitters und der Atomen mittels dazu geeigneter Formeln abschätzen (siehe z. B. V. M. Biryukov, Y. A. Chesnokov, V. I. Kotov, ”Crystal channelling and its application at High Energy accelerators”, Springer, Berlin, 1997). Den räumlichen Bereich, in dem die Teilchen eingesperrt werden, nennt man Kanal oder Kristallkanal.
In Afonin, A. G., Baranov, V. T., Bellucci, S. et al, Nucl. Instruments and Methods in Physics Research B 234 (2005) 122–127 wird beschrieben, wie ein kristalliner Undulator durch Mikrokratzer auf der Kristalloberfläche eines Kristalls geschaffen wurde. Die periodische Biegung der Kristallebenen wurde mit Hilfe von Röntgenstrahlung verifiziert, und das Channeln von hochenergetischen Protonen wurde getestet.
Eine Querbewegung der geladenen Teilchen im Potential der Atome, die im Wesentlichen transversal zur Längsachse des Kanals verläuft, wird als Channelling-Bewegung bezeichnet. Falls das Gitter periodisch gebogen ist, führt das geladene Teilchen neben der Channelling-Bewegung auch eine Undulator-Bewegung aus.
Während die Channelling-Bewegung durch die Streuung des geladenen Teilchens mit den Streuzentren im Kristall, im Wesentlichen den Atomen und Elektronenhüllen, zustande kommt, besteht die Undulator-Bewegung aus einer der Channelling-Bewegung überlagerten, periodischen Bewegung, die im Wesentlichen der Biegung des Kristalls folgt. Das auf diese Weise beschleunigte Teilchen sendet elektromagnetische Strahlung aus, deren Frequenz von den Dimensionierungen des Kristalls und der Teilchenenergie abhängt. Durch geeignete Wahl dieser Parameter kann auf diese Weise Strahlung im Gammabereich erzeugt werden. Darüber hinaus kann mit einer solchen Apparatur auch kohärente Gammastrahlung erzeugt werden. In diesem Fall kann die Apparatur als Gammalaser bezeichnet werden, auch wenn ihr Emissionsmechanismus nichts mit dem ursprünglichen Laserprinzip gemeinsam hat.
Die im obigen Abschnitt beschriebene Apparatur zur Erzeugung kohärenter Gammastrahlung beruht auf dem Prinzip der Undulator-Bewegung geladener Teilchen. Ein ähnliches Prinzip wird im sogenannten Freie-Elektronen-Laser (FEL) genutzt. Dabei wird ein Strahl von Elektronen in einem periodischen Magnetfeld, das durch eine Anordnung von Dipolmagneten erzeugt wird, zu einer Undulator-Bewegung gebracht.
Da die Elektronen bzw. Positronen bzw. der zugehörige Teilchenstrahl beim Eintritt in den Kristall gewöhnlich eine verschmierte Verteilung in Energie und Ort aufweisen, ist die Kohärenz der entstehenden Gammastrahlung nur unvollständig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere kohärenter Gammastrahlung, anzugeben, die hinsichtlich der Kohärenz- und Frequenzeigenschaften der emittierten Strahlung eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Vorrichtungen darstellt.
Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung einer Hauptwellenlänge mit einem kristallinen Undulator mit einer mittleren Kristallundulatorstrahlachse, mit einem Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung eines Teilchenstrahls elektrisch geladener Teilchen, und mit einem elektromagnetischen Undulator zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung einer Nebenwellenlänge mit einer mittleren Undulatorstrahlachse, die derart konfiguriert ist, dass die Kristallundulatorstrahlachse und die Undulatorstrahlachse im Wesentlichen übereinstimmen und dass der im Teilchenbeschleuniger beschleunigte Teilchenstrahl im Betriebszustand zuerst zumindest teilweise den elektromagnetischen Undulator und anschließend den kristallinen Undulator durchläuft.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Eigenschaften der in einem kristallinen Undulator erzeugten Strahlung, insbesondere hinsichtlich der Kohärenz, stark von den Eigenschaften des in den kristallinen Undulator geführten Teilchenstrahls abhängen.
Der Begriff „kristalliner Undulator” bezeichnet hierbei eine materielle Struktur, die eine regelmäßige (kristallähnliche) Anordnung von Atomen bzw. Molekülen hat und in der ein periodisch gebogener Kanal durch elektrische (gegebenenfalls auch magnetische oder eine Kombination elektrischer und magnetischer) Felder von mikroskopischer atomarer, molekularer oder Nanoskalen) Gräßenordnung gebildet wird. Ein solcher kristalliner Undulator ist beispielsweise durch einen periodisch gebogenen Kristall gegeben. Er kann aber auch durch eine Nanostruktur realisiert werden, beispielsweise durch ein Bündel von Nanoröhrchen. Zudem bezeichnet der Begriff „kristalliner Undulator” die gebogene Struktur an sich und umfasst nicht den Strahl geladener Teilchen (ähnliches gilt für den elektromagnetischen Undulator).
Als „elektromagnetischer Undulator” wird in diesem Zusammenhang eine materielle makroskopische Struktur verstanden, die ein elektrisches, magnetisches oder elektromagnetisches periodisches Feld makroskopischer Größenordnung erzeugt. Dies ist z. B. durch einen magnetischen Undulator, wie er typischerweise in einem FEL eingesetzt wird und bei dem durch eine Anordnung von Dipolmagneten ein periodisches Magnetfeld erzeugt, realisiert.
Die Güte der im kristallinen Undulator erzeugten Strahlung kann durch eine geeignete Präparierung des Teilchenstrahls deutlich verbessert werden. Insbesondere wirken sich schichtartige energetische und räumliche Verteilungen der im Teilchenstrahl vorhandenen Teilchen positiv aus. Wie nunmehr erkannt wurde, lässt sich eine solche Präparation des Teilchenstrahls vorteilhafterweise dadurch erreichen, dass der Teilchenstrahl, bevor er in den kristallinen Undulator geleitet wird, einen elektromagnetischen Undulator durchläuft, wie er beispielsweise in einem FEL realisiert ist.
In einem FEL tritt im Betriebszustand der Effekt des Microbunching auf. Dabei verändert sich die beim Eintritt des Teilchenstrahls in den FEL eher homogene bzw. zufällige Dichteverteilung der Teilchen entlang des Strahls zu einer Verteilung, die aus in regelmäßigen Abständen bestehenden Bunches bzw. Anhäufungen besteht. Der Effekt des Microbunching kommt dadurch zustande, dass die Elektronen auf ihrem Weg durch den Undulator mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken. In geimpften („seeded”) FELs wird diese Strahlung von einer externen Strahlungsquelle, beispielweise einem Quantenlaser oder einem anderen FEL, erzeugt. In einem SASE (selbstverstärkte spontane Abstrahlung, self-amplified spontaneous emission) FEL wird diese Strahlung von den Elektronen selbst erzeugt.
Die Elektronen können von dem elektromagnetischen Feld Energie aufnehmen bzw. Energie an das Feld abgeben. Die Elektronen bilden nun in Strahlrichtung gesehen Gruppen bzw. Pakete mit im Verhältnis zur Wellenlänge der emittierten Strahlung geringer räumlicher Ausdehnung, deren einzelne Teilnehmer jeweils zum gleichen Zeitpunkt im Wesentlichen die gleiche Position entlang der Trajektorie erreichen und auf diese Weise gleichzeitig und mit gleicher Phase Photonen abstrahlen. Der räumliche Abstand der einzelnen Gruppen voneinander beträgt dabei genau eine Wellenlänge der emittierten (und der ordnenden) Strahlung.
Erfindungsgemäß wird der elektromagnetische Undulator verwendet, um den Strahl geladener Teilchen vor dem Eintritt in den kristallinen Undulator zu präparieren. Die von dem elektromagnetischen Undulator abgegebene Strahlung – sofern vorhanden – findet keine weitere direkte Verwendung.
Damit in geeignetem Maße eine Präparierung des Teilchenstrahls im elektromagnetischen Undulator stattfinden kann, ist der elektromagnetische Undulator vorzugsweise in Richtung des Teilchenstrahls gesehen räumlich vor dem kristallinen Undulator angeordnet. Der Teilchenstrahl durchläuft also den elektromagnetischen Undulator in seiner vollen Ausdehnung, bevor er den kristallinen Undulator betritt. Dadurch kann – bei entsprechendem Betrieb des FEL – der SASE-Effekt über die volle Länge des elektromagnetischen Undulators ausgenutzt werden. Der kristalline Undulator kann – in Teilchenstrahlrichtung – räumlich unmittelbar hinter oder in gewissem Abstand hinter dem elektromagnetischen Undulator angeordnet sein.
Alternativ dazu kann der kristalline Undulator innerhalb des elektromagnetischen Undulators angeordnet sein. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn eine geeignete Vorstrukturierung des Teilchenstrahls schon innerhalb des elektromagnetischen Undulators erreicht ist.
In Abhängigkeit von den Parametern des Kristalls sowie der Energie der Teilchen im Teilchenstrahl kann die Vorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in ganz unterschiedlichen Frequenzbereichen eingesetzt werden. Vorteilhafterweise wird sie aber zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingesetzt, deren Frequenz bzw. Energie höher ist als die der Strahlung, die im elektromagnetischen Undulator erzeugt wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn elektromagnetische Strahlung im keV- oder MeV-Bereich erzeugt werden soll. In diesem Fall wird die Vorrichtung vorteilhafterweise derart konfiguriert, dass die Nebenwellenlänge größer als die Hauptwellenlänge ist.
Die Präparierung des Teilchenstrahls im elektromagnetischen Undulator lässt sich besonders dann vorteilhaft nutzen, wenn das Verhältnis von Nebenwellenlänge zu Hauptwellenlänge größer als 1 und im Wesentlichen ganzzahlig ist. Die Nebenwellenlänge entspricht also n × Hauptwellenlänge, wobei n vorteilhafterweise die Werte 2, 3, 4, ... annimmt. Diese Wellenlänge entspricht dann einer höheren Harmonischen, die im Betriebszustand, insbesondere im Hochverstärkungsbetriebszustand des elektromagnetischen Undulators erzeugt wird. Gleichermaßen enthält die Fourierzerlegung der Teilchendichte des Teilchenstrahls auch höhere Harmonische, die mit der höheren harmonischen Strahlung korrespondieren (siehe beispielsweise A. Tremaine et al., Phys. Rev. E 66 (2002) 036503).
Das Vorhandensein dieser höheren Harmonischen in der Teilchendichte führt zu einer Verstärkung der Kohärenz der vom kristallinen Undulator ausgegebenen Strahlung. Durch eine geeignete räumliche Anordnung des kristallinen Undulators in Bezug auf den elektromagnetischen Undulator kann erreicht werden, dass der sich einstellende höhere Bunching-Effekt schon unmittelbar ab Eintritt des Teilchenstrahls in den kristallinen Undulator ausgenutzt werden kann. Bei vorgegebenen ganzzahligen n > 1 wird dabei der kristalline Undulator vorzugsweise in ei- nem lokalen oder globalen Maximum der Amplitude der höheren harmonischen räumlichen Modulation der Teilchendichte des Strahls der Periode bzw. Wellenlänge Nebenwellenilänge / n angeordnet.
Als kristalliner Undulator wird vorteilhafterweise ein periodisch gebogener Kristall verwendet. Voraussetzung für die Abgabe von Undulatorstrahlung der geladenen Teilchen des Teilchenstrahls sind periodisch gebogene Kanäle im Kristall. Während Positronen aufgrund der elektrischen Abstoßung von den positiv geladenen Atomkernen im Kristall zwischen zwei gebogenen Kristallebenen channeln, bewegen sich Elektronen aufgrund ihrer negativen Ladung entlang einer solchen Ebene.
Die periodische Biegung des Kristalls kann auf unterschiedliche Arten erreicht werden. Beispielsweise kann der Kristall in transversaler Richtung zur Kristallundulatorstrahlachse statisch im Wesentlichen periodisch gebogen sein. Dies kann beispielsweise durch Laserablation mit ultrakurzen Pulsen eines Kristalls erreicht werden (siehe beispielsweise Balling P. et al., Nucl. Inst. and Meth. B267 (2009) S. 2952). Alternativ dazu kann der Kristall auch direkt in dem gebogenen Zustand gezüchtet werden (siehe dazu beispielsweise M. B. H. Breese, Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. B 132 (1997) 540 und L. Lanzoni et al, Int. J. Eng. Sci. 46 (2008) 917).
Eine weitere Methode, den Kristall bzw. den kristallinen Undulator periodisch zu biegen, besteht darin, wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen an dem kristallinen Undulator anzuordnen und mit ihm akustisch zu koppeln (sie beispielsweise W. Wagner, B. Azadegan, L. Sh. Grigoryan, and J. Pawelke, EPL 78 (2007) 56004). Als Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen (bevorzugt im Ultraschallbereich) wird vorzugsweise ein Piezzoelement verwendet. Das Piezzoelement erzeugt im Betriebszustand im Wesentlichen transversale Schallwellen, durch die der kristalline Undulator zumindest teilweise in transversaler Richtung zur Kristallundulatorstrahlachse im Wesentlichen periodisch gebogen wird. Die Erzeugung transversaler Schallwellen in Festkörpern und Kristallen ist aus vielfältigen Veröffentlichungen und Experimenten bekannt. Die Amplitude und die Frequenz der transversalen akustischen Welle werden für den Betrieb der Vorrichtung der gewünschten Frequenz der emittierten Undulatorstrahlung angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Teilchenbeschleuniger und der elektromagnetische Undulator Komponenten eines Freie-Elektronen-Lasers, wobei der Undulator durch eine Anordnung von Dipolmagneten ein periodisch gebogenes Magnetfeld erzeugt und somit ein magnetischer Undulator bzw. Magnetfeldundulator ist. Im Teilchenbeschleuniger wird ein Strahl von Elektronen beschleunigt und in den magnetischen Undulator des FEL geschickt. im Freie-Elektronen-Laser kann zur Steigerung der Kohärenz des erzeugten Lichtes das SASE-Prinzip (Self-Amplified Spontaneous Emission) benutzt werden. Alternativ oder in Kombination dazu kann der FEL auch mit elektromagnetischer Strahlung geimpft werden, wodurch die Teilchen im FEL mit der geimpften, externen Strahlung Wechselwirken.
Als geladener Teilchenstrahl können relativistisch beschleunigte Elektronen verwendet werden. Auch die Erzeugung von Positronenstrahlen ist heute möglich (siehe W.-M. Yao et al., J. Phys. G 33 (2006) 1–1232), so dass auch relativistische Positronen verwendet werden können. In diesem Fall würde dann gewissermaßen ein FPL (Free Positron Laser) zum Einsatz kommen. Weiterhin können prinzipiell auch schwerere geladene Teilchen wie beispielsweise Myonen oder Protonen verwendet werden.
Vorzugsweise weisen die geladenen Teilchen des Teilchenstrahls zur Steigerung der Kohärenz der vom kristallinen Undulator produzierten Strahlung eine geschichtete Energieverteilung auf.
Um die Vorrichtung zur Erzeugung von kohärenter Gammastrahlung auszulegen, wird sie vorteilhafterweise derart konfiguriert, dass die Hauptwellenlänge zwischen 0.001 Å und 1 Å liegt.
In Bezug auf das Verfahren wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem ein Teilchenstrahl geladener Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger beschleunigt und in einen elektromagnetischen Undulator geführt wird, in dem er durch ein räumlich periodisches elektrisches und/oder magnetisches Feld auf eine oszillatorische Bahn gebracht wird und dabei mit elektromagnetischer Strahlung einer Nebenwelle wechselwirkt, und wobei der Teilchenstrahl anschließend durch einen kristallinen Undulator geführt wird, in dem er elektromagnetische Strahlung einer Hauptwellenlänge abgibt. Der gebogene Kanal, in dem sich der Teilchenstrahl bewegt, verläuft dabei beispielsweise in einem als Kristall ausgeführten kristallinen Undulator zwischen oder entlang periodisch gebogener Kristallebenen oder Kristallachsen.
Der elektromagnetische Undulator ist dabei vorzugsweise derart konfiguriert, dass die Nebenwellenlänge größer als die Hauptwellenlänge und ihr Verhältnis im Wesentlichen ganzzahlig ist.
Zur Erreichung einer möglichst hohen Kohärenz der ausgesandten Strahlung weisen die Teilchen des in den elektromagnetischen Undulator geführten Teilchenstrahls vorteilhafterweise eine geschichtete Energieverteilung auf.
In einer bevorzugten Version des Verfahrens wird bei vorgegebenem ganzzahligen n > 1 der kristalline Undulator in einem lokalen oder globalen Maximum der Amplitude der höheren harmonischen räumlichen Modulation der Dichte des Teilchenstrahls der Periode Nebenwellenlänge/n angeordnet.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass durch eine Präparierung des Teilchenstrahls in einem elektromagnetischen Undulator die Kohärenz der von dem anschließend durch den kristallinen Undulator laufenden Teilchenstrahl ausgesandten elektromagnetischen Strahlung durch die Nutzung des Microbunching-Effektes verbessert werden kann. Insbesondere durch eine geschichtete Energieverteilung der Teilchen des Teilchenstrahls kann der Microbunching-Effekt höherer Ordnung ausgenutzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematischer Darstellung:
1 eine Vorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einem Teilchenbeschleuniger, einem Magnetfeldundulator und einem kristallinen Undulator in einer ersten räumlichen Konfiguration,
2 eine derartige Vorrichtung in einer zweiten räumlichen Konfiguration,
3 eine derartige Vorrichtung in einer dritten räumlichen Konfiguration,
4 eine derartige Vorrichtung mit einer elektromagnetischen Zusatzstrahlungsquelle zur „Impfung” (Seeding) der Vorrichtung,
5 die Teilchenbahn eines geladenen Elektrons beim Channeln durch gebogene Kristallebenen,
6 die Teilchenbahn eines Positrons beim Channeln durch gebogene Kristallebenen,
7 eine geschichtete Energieverteilung eines geladenen Teilchenstrahls, der zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit Hilfe der Vorrichtung nach 1 bis 4 geeignet ist.
8 eine Energieschichtungsvorrichtung zur Generierung einer geschichteten Energieverteilung eines Teilchenstrahls mit vier Dipolmagneten und einem Gitter, und
9 eine räumliche Verteilung der Teilchendichte eines Teilchenstrahls mit einer geschichteten Energieverteilung.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 2 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung einer Hauptwellenlänge λ_H umfasst einen kristallinen Undulator 6, der im Betriebszustand Hauptstrahlung 10 der Hauptwellenlänge λ_H erzeugt und als Kristall ausgebildet ist. In Strahlrichtung 12 ist vor dem kristallinen Undulator 6 ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) 14 angeordnet. Der FEL umfasst einen elektromagnetischen Undulator, nämlich einen Magnetfeldundulator 16, und einen Teilchenbeschleuniger 17. Der kristalline Undulator 6 ist in der hier gezeigten Konfiguration unmittelbar, dass heißt im Wesentlichen ohne räumlichen Abstand, in Strahlrichtung 12 hinter dem Magnetfeldundulator 16 an dem Ort bzw. der räumlichen Position x angeordnet. Der kristalline Undulator 6 kann beispielsweise in einer zu dem FEL 14 zugehörigen Experimentierhalle aufgebaut sein. Der Magnetfeldundulator 16 und der kristalline Undulator 6 sind vorteilhafterweise derart konfiguriert, dass sich in ihnen ein Vakuum, bevorzugt ein Hochvakuum, erzeugen lässt. Demzufolge sollte in diesem Fall auch die Verbindung zwischen Magnetfeldundulator 16 und kristallinem Undulator 6 vakuumdicht ausgestaltet sein.
Der FEL 14 erzeugt im Betriebszustand elektromagnetische Nebenstrahlung 18 der Nebenwellenlänge λ_N. Der kristalline Undulator 6 und der Magnetfeldundulator 16 sind derart in Bezug aufeinander angeordnet, dass die mittlere Kristallundulatorstrahlachse 22 und die mittlere Undulatorstrahlachse 26 im Wesentlichen übereinstimmen.
Im Betriebszustand der Vorrichtung 2 werden Elektronen im Teilchenbeschleuniger 17 beschleunigt. Dabei erreichen die Elektronen relativistische Geschwindigkeiten. Diese Elektronen bilden einen Teilchenstrahl 30, der in Strahlrichtung 12 in den magnetischen Undulator bzw. Magnetfeldundulator 16 eingespeist wird. Der Magnetfeldundulator 16 weist eine alternierende Anordnung von Dipolmagneten 34 auf, durch die ein periodisches Magnetfeld erzeugt wird. Die Elektronen des Teilchenstrahls 30 werden beim Durchgang durch den Magnetfeldundulator 16 somit auf eine periodische, oszillierende Bahn gezwungen. Dabei emittieren sie bevorzugt in Vorwärtsrichtung elektromagnetische Synchrotronstrahlung. Die mittlere Bahn der Elektronen des Teilchenstrahls 30 entspricht im Wesentlichen der mittleren Undulatorstrahlachse 26. Die von den Elektronen des Teilchenstrahls 30 abgegebene Synchrotronstrahlung ist die Nebenstrahlung 18 der Nebenwellenlänge λ_N. Diese Nebenstrahlung 18 kann nach Verlassen des Magnetfeldundulators 16 abgeblockt werden. Alternativ dazu kann sie auch den kristallinen Undulator 6 passieren.
Nachdem der Teilchenstrahl 30 den Magnetfeldundulator 16 passiert hat, tritt er in den kristallinen Undulator 6 ein. Die Vorrichtung 2 ist dabei vorzugsweise derart konfiguriert, dass der Teilchenstrahl 30 unter einem geringen Winkel zu den Kristallebenen E bzw. Kristallachsen des kristallinen Undulators 6 eintritt. Dadurch kann gewänhrleistet werden, dass der Teilchenstrahl 30 auch in dem kristallinen Undulator 6 eine periodische Bewegung vollzieht, die zwischen zwei Kristallebenen E oder entlang einer Kristallebene E oder Achse verläuft. Der Teilchenstrahl 30 führt somit im kristallinen Undulator 6 eine periodische, oszillatorische Bewegung aus, wobei die Elektronen des Teilchenstrahls 30 die elektromagnetische Hauptstrahlung 10 der Hauptwellenlänge λ_H bevorzugt in Vorwärtsrichtung, d. h., in Richtung ihrer zeitlich gemittelten Bewegung, emittieren.
Der FEL 14 wird im geimpften („seeded”) Modus (siehe 4) oder im SASE-Modus (1 bis 3) betrieben. Bei Ihrem Durchgang durch den Magnetfeldundulator 16 Wechselwirken die Elektronen des Teilchenstrahls 30 mit der (im SASE-Modus von Ihnen ausgesandten) Nebenstrahlung 18. Die Elektronen können dabei Energie an das elektromagnetische Feld der Nebenstrahlung 18 abgeben oder Energie aufnehmen. Diese Wechselwirkung zwischen Elektronen und elektromagnetischem Feld führt nach einer gewissen Zeit bzw. nach einer gewissen zurückgelegten Wegstrecke dazu, dass sich die ursprünglich homogene räumliche Verteilung der Elektronen entlang des Strahls zu einer Verteilung von Kleingruppen oder Paketen von Elektronen ändert. Dieses Phänomen wird als Microbunching bezeichnet. Damit sich die Microbunches bilden können, muss die Zeitdauer, in der die Elektronen mit dem elektromagnetischen Feld Wechselwirken können, groß genug sein.
Jeder dieser Microbunches verhält sich im Wesentlichen wie ein einziges Teilchen, das die gesamte Ladung der Elektronen des jeweiligen Bunches trägt. Bei seinem Weg durch den Undulator emittiert ein solcher Microbunch kohärentes Licht, da die einzelnen Elektronen des Bunches Photonen mit gleicher Phase abstrahlen. Die Wechselwirkung der Teilchen des Teilchenstrahls 30 mit dem Feld des magnetischen Undulators bzw. Magetfeldundulators 16 und mit der Nebenstrahlung 18 führt zu einer räumliche Anordnung der Microbunches, bei der der Abstand der einzelnen Bunches zueinander gerade der Nebenwellenlänge λ_N entspricht.
2 und 3 zeigen die Vorrichtung 2 aus 1 in weiteren bevorzugten Konfigurationen. In 2 ist, ähnlich wie in 1, der kristalline Undulator 6 in Strahlrichtung 12 gesehen räumlich hinter dem Magnetfeldundulator 16 angeordnet. Zwischen dem kristallinem Undulator 6 an der räumlichen Position x und dem Magnetfeldundulator 16 ist aber in diesem Fall ein räumlicher Abstand A vorhanden. Bei der in 3 gezeigten Anordnung befindet sich der kristalline Undulator 6 innerhalb des Magnetfeldundulators 16. In allen drei Fällen (1, 2, 3) durchläuft der Teilchenstrahl 30 nach seiner Beschleunigung im Teilchenbeschleuniger 17 zuerst zumindest teilweise den Magnetfeldundulator 16, bevor er in den kristallinen Undulator 6 eintritt. Kriterien für die Position, an der der kristalline Undulator 6 in Bezug auf den Magnetfeldundulator 16 vorzugsweise räumlich angeordnet wird, werden im Folgenden besprochen.
Statt den FEL 14 im SASE-Modus zu betreiben, kann er alternativ dazu auch geimpft werden (Seeding), siehe dazu 4. Bei einem geimpften FEL 14 wird zusätzlich zum Teilchenstrahl 30 in Strahlrichtung 12 von einem externen Laser bzw. einer elektromagnetischen Zusatzstrahlungsquelle 40 elektromagnetische Strahlung (z. B. der Nebenwellenlänge λ_H) von außen in den Magnetfeldundulator 16 eingespeist. Das führt dazu, dass die Elektronen sofort anfangen, mit dem elektromagnetischen Feld der eingespeisten Strahlung wechselzuwirken. Dadurch tritt die Ordnung der Elektronenverteilung in Microbunches früher als ggf. im SASE Betrieb ein und der Magnetfeldundulator 16 kann ggf. räumlich kürzer gebaut werden. Damit sowohl der Teilchenstrahl 30 als auch die eingespeiste Strahlung im Wesentlichen parallel zueinander in den Magnetfeldundulator 16 eintreten, wird der Teilchenstrahl 30 nach Austritt aus dem Teilchenbeschleuniger 17 durch eine Magnetvorrichtung 44 in Strahlrichtung 12 umgelenkt. Die Magnetvorrichtung 44 umfasst eine Anzahl von Magneten, durch die der Teilchenstrahl 30 sowohl umgelenkt als auch fokussiert wird. Bei Eintritt des Teilchenstrahls 30 in den Magnetfeldundulator 16 überlappt er somit mit der Nebenstrahlung 18.
Der kristalline Undulator 6 kann zur räumlichen Orientierung bzw. Positionierung zum Beispiel, wie üblicherweise in Kanalführungsexperimenten, in einem Goniometer befestigt werden, mit dem er in allen drei (räumlichen) Achsen gedreht werden kann. Durch die Drehung des kristallinen Undulators 6 im Goniometer kann so seine bestmögliche Orientierung eingestellt werden, in der möglichst viele Teilchen in den Kanalführungsbereich geraten (siehe z. B. H. Backe, P. Kunz, W. Lauth and A. Rueda, Nucl. Instrum. Meth. B 266 (2008) S. 3835).
Das Goniometer wird vorteilhafterweise auf einem Schlitten befestigt werden, wodurch die Einstellung des Standpunkts bzw. der räumlichen Position des kristallinen Undulators 6 entlang des Teilchenstrahls 30 ermöglicht wird. Der kristalline Undulator 6 wird vorzugsweise an der Stelle positioniert, an der die Amplitude der Fourier-Komponente der räumlichen Verteilung der Teilchen, deren Periode der Hauptwellenlänge gleicht, ihr Maximum erreicht. Dieser Punkt, welcher der Drehung der Phasenebene um 90 Grad entspricht, lässt sich durch bekannte Formeln der Theorie des Freien Elektronen Lasers schätzen (siehe z. B. P. Schmüser, M. Dohlus, J. Rossbach, „Ultraviolet and Soft X-Ray Free-Electron Lasers” Springer, Berlin-Heidelberg 2008). Die maximale Intensität der Strahlung der Hauptwellenlange wird durch Bewegung des Schlittens eingestellt.
Die in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungen der Vorrichtung 2 sind derart konfiguriert, dass der kristalline Undulator 6 elektromagnetische Hauptstrahlung 10 der Hauptwellenlänge λ_H emittiert, wobei λ_H im Bereich 0.001 Å und 1 Å liegt. Die zugehörige Photonenergie ħω = 10 keV–10 MeV liegt somit im harten Röntgen- und Gammastrahlenbereich. Wie in der Literatur gezeigt, erlaubt der kristalline Undulator 6 die Erzeugung von kohärenter elektromagnetischer Strahlung. Damit eignet sich die Vorrichtung 2 als Gammalaser.
Die Güte der erzeugten Hauptstrahlung 10, beispielsweise ihre Kohärenz, lässt sich gegenüber dem Fall, dass ein Teilchenstrahl 30 direkt in den kristallinen Undulator 6 geleitet wird, steigern, indem der Teilchenstrahl 60 beim Durchgang durch den Magnetfeldundulator 16 in geeigneter Weise präpariert wird. Dazu ist die Vorrichtung 2 derart konfiguriert, dass die Nebenwellenlänge λ_N größer als die Hauptwellenlänge λ_H ist. Diese Voraussetzung ist bei Verwendung bekannter und gängiger FEL 14 automatisch gegeben. Die in der Zukunft maximal erreichbare Photonenenergie des am DESY geplanten FEL beträgt 12,4 KeV. Auch im SASE-Betrieb bzw. SASE-Modus lässt sich deshalb durch den FEL 14 ein Teilchenstrahl 30 ohne weiteres nicht so präparieren, dass der räumliche Abstand der Microbunches einer Hauptwellenlänge λ_H entspricht, die im Gammabereich liegt.
Dennoch kann durch eine geeignete Konfiguration der Vorrichtung 2 erreicht werden, dass der Teilchenstrahl derart präpariert ist, dass die Kohärenz der Hauptstrahlung 10 gesteigert wird.
Dazu müssen die Teilchen eine geschichtete Energieverteilung aufweisen. Durch die Wechselwirkung der Teilchen mit den (elektromagnetischen) Feldern des magnetischen Undulators und der Strahlung der Nebenwellenlänge λ_N wird die geschichtete Energieverteilung in eine räumliche Modulation der Teilchendichte umgewandelt, so dass die Fourierzerlegung der Teilchendichte die höheren Harmonischen mit der Wellenlänge Nebenwellenlänge/n enthält, wobei n ganzzahlig und größer als 1 ist, also 2, 3, 4, ...
Nebenwellenlänge λ_N und Hauptwellenlänge λ_H werden nun so aufeinander abgestimmt, dass das Verhältnis von Nebenwellenlänge zu Hauptwellenlänge größer als 1 und im Wesentlichen ganzzahlig Ist. Dazu werden für die gewünschte Hauptwellenlänge λ_H die Parameter des kristallinen Undulators 6 und die Energie der Teilchen ausgerechnet (siehe A. V. Korol, A. V. Solov'yov, W. Greiner, Int. J. Mod. Phys. E 13, 867 (2004) und M. Tabrizi, A. V. Korol, A. V. Solov'yov and W. Greiner, Phys. Rev. Lett. 98, 164801 (2007) ). Zudem werden für die Nebenwellenlänge λ_N = n λ_H und die vorgegebene Teilchenenergie die Parameter des Magnetfeldundulators 16 ausgerechnet (siehe zum Beispiel P. Schmüser, M. Dohlus, J. Rossbach, „Ultraviolet and Soft X-Ray Free-Electron Lasers” Springer, Berlin-Heidelberg 2008). Die ganze Zahl n wird derart ausgewählt, dass die Periode (der Nebenwellenlänge) des magnetischen Undulators groß genug ist, um technisch realisiert werden zu können.
In dem oben diskutierten Fall weist die Teilchendichte des Teilchenstrahls 30 eine höhere harmonische Komponente der Verteilung auf, die gerade der Hauptwellenlänge λ_H entspricht. Auf diese Weise kann der Effekt des Microbunching in höherer Ordnung genutzt werden, um die Kohärenz und auch die Intensität der Hauptstrahlung 10 zu erhöhen. Die räumliche Position x des kristallinen Undulators 6 entlang der Strahlrichtung 12 ist dabei so gewählt, dass sich sein Eintrittsbereich (also der Bereich, in dem die Teilchen in ihn eintreten) in einem Maximum der Amplitude der höheren Harmonischen der Modulation der Teilchenstrahldichte befindet.
Typische Abmessungen eines als kristalliner Undulator 6 dienenden Kristalles sind in der Größenordnung von Millimetern (P. Balling et al, Nucl. Instrum. Methods B: vol 267, pp 2952–2957 (2009)). Die Dimensionierungen eines geeigneten Kristalls sind z. B. 2.5·6.9·0.3 mm³ (2.5 – dem Strahl entlang, z-Achse, 0.3 – in Richtung der (periodischen) Biegung, y-Achse, 6.9 – x-Achse) (P. Balling et al, Nucl. Instrum. Methods B: vol 267, pp 2952–2957 (2009)). Der Kristall besteht vorteilhafterweise (zumindest überwiegend) aus Silizium oder Wolfram. Er kann auch als Diamant ausgeführt sein.
Der Kristall wird vorteilhafterweise in dem Punkt (in der räumlichen Position) platziert, an dem die Amplitude der Fourier-Komponente der räumliche Verteilung der Teilchen, deren Periode der Hauptwellenlänge gleicht, ihr Maximum erreicht. Dieser Punkt, der der Drehung der Phasenebene um 90 Grad entspricht, lässt sich durch bekannte Formeln der Theorie des Freien Elektronen Laser abschätzen (siehe z. B. P. Schmüser, M. Dohlus, J. Rossbach, „Ultraviolet and Soft X-Ray Free-Electron Lasers” Springer, Berlin-Heidelberg 2008).
Wie in A. Kostyuk, A. V. Korol, A. V. Solov'yov, and Walter Greiner, arXiv:0809.4657v2 gezeigt, bleibt eine solche Strukturierung der Teilchendichte beim Durchlauf durch den kristallinen Undulator 6 im Wesentlichen bestehen.
In 5 ist die Bewegung eines Elektrons durch einen kristallinen Undulator mit periodisch gebogenen Kristallebenen E schematisch dargestellt. Die mittlere Teilchenbewegung verläuft entlang der Abszisse. Gezeigt sind drei periodisch gebogene Kristallebenen E, wobei in jeder Kristallebene die Atomzentren 50 angedeutet sind.
Das Elektron vollzieht eine Undulatorbewegung, die im Mittel der Krümmung der mittleren Kristallebene E folgt. Diese Undulatorbewegung ist überlagert von einer höherfrequenten Bewegung, dem sogenannten Channeling. Aufgrund seiner negativen Ladung wird das Elektron von den positiv geladenen Atomkernen in den Atomzentren 50 angezogen und aufgrund seiner Streuung mit den Atomzentren 50 vollzieht es diese Channeling-Bewegung. Durch die stetige Wechselwirkung mit den Atomkernen gewinnt das Elektron in transversaler Richtung (entlang der Ordinate) zu den gebogenen Kristallebenen E im Laufe seiner Bewegungen immer mehr Energie. Irgendwann ist die Energie so groß, dass es den Kanal verlässt. Die Länge des Weges, die das Elektron bis zu diesem Zeitpunkt im Kristall bzw. dem kristallinen Undulator 6 zurückgelegt hat, wird als die Dechanneling-Length bzw. -Länge bezeichnet. Je größer die Dechanneling-Length ist, umso öfter kann das Elektron auf seiner Undulatorbewegung oszillieren und Strahlung aussenden. Aus obigen Überlegungen ergibt sich, dass der kristalline Undulator 6 in Strahlrichtung 12 nur eine Länge aufzuweisen braucht, die nicht viel größer als die Demodulierungslänge ist (typischerweise 2 bis 3 Demodulierungslängen). Zudem sollte der kristalline Undulator derart konstruiert sein, dass die Dechanneling-Länge möglichst groß ist, so dass die Elektronen möglichst viele Oszillationen innerhalb des Kristalls ausführen können.
Der zumindest in einem gewissen Bereich periodisch gebogene kristalline Undulator 6 ist charakterisiert durch den Kristallebenen-Abstand d, sowie die Länge l bzw. Periode λ_U und die Biegeamplitude a der gebogenen Kristallebenen.
Wie in der Literatur gezeigt ist (siehe A. V. Korol, A. V. Solov'yov, W. Greiner, Int. J. Mod. Phys. E 13, 867 (2004) und M. Tabrizi, A. V. Korol, A. V. Solov'yov and W. Greiner, Phys. Rev. Lett. 98, 164801 (2007)), soll für einen kristallinen Undulator gelten: d << a << λ_U. Für einen typischen Kristallebenen-Abstand d ≈ 10^–8 cm sind bevorzugte Bereiche für diese Größen d ≈ 10^–8 cm, a ≈ 10... 10² d, a ≈ 10^–5 ... 10^–4 λ_U. Zu gegebener Länge l bzw. Periode λ_U der Biegung Kristallebenen E beträgt die Frequenz
Der sogenannte Undulatorparameter p hängt von dieser Periode λ_U sowie der Biegeamplitude a ab über
Hierbei bezeichnet
den Lorenzfaktor des Teilchenstrahls 30, wobei v die Teilchengeschwindigkeit der Teilchen im Teilchenstrahl 30 und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Für die oben besprochene Konfiguration der Vorrichtung 2 zur Erzeugung kohärenter Gammastrahlung können die Werte aus der Tabelle benutzt werden. Die Frequenz der abgebebenen Undulatorstrahlung ergibt sich zu

Si (110) (d = 1.92 Å) C (110)(d = 1.26 Å)

ε(GeV) 0.5 1.0 2.0 0.5 1.0 2.0

a/d 3.6 6.7 12.7 4.5 8.8 13.2

λ_u(μm) 8.5 16.4 31.8 9.0 17.4 22.6

ω(keV) 250 393 430 244 417 610
Die undulatorische Bewegung der geladenen Teilchen des Teilchenstrahls 30 zwischen den Kristallebenen E kann gewährleistet werden, wenn an den Umkehrpunkten der Trajektorie, an denen die größten Beschleunigungskräfte auftreten, die maximal wirkende Zentrifugalkraft kleiner als der an diesem Umkehrpunktpunkt wirkende Wert des elektrischen Potentials sit, das heißt,
wobei q und m die Ladung und Masse des Teilchens, U das elektrische Potential und R_min den minimalen Krümmungsradius des gebogenen Kanals bezeichnen. Die periodische Biegung des Kristalls des kristallinen Undulators 6 kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Verschiedene, aus der Literatur bekannte Verfahren sind weiter oben beschrieben und zitiert.
In 6 ist, ähnlich wie in 5, schematisch die Trajektorie eines geladenen Teilchens durch den durch einen gebogenen Kristall realisierten kristallinen Undulator 6 dargestellt, in diesem Fall handelt es sich bei den geladenen Teilchen um Positronen. Aufgrund ihrer positiven Ladung bewegen sich Positronen nicht entlang der in den Atomzentren 50 gelegenen, positiv geladenen Atomkerne, sondern vielmehr zwischen zwei Kristallebenen E. Die Güte der von der Vorrichtung 2 erzeugten elektromagnetischen Strahlung kann gegenüber dem oben diskutierten Fall mit Elektronen dadurch verbessert werden, dass Positronen verwendet werden. Das liegt daran, dass für Positronen bzw. allgemeiner für positiv geladene Teilchen, die Dechanneling-Length in einem Kristall ungefähr zwei Größenordnungen großer ist als für negativ geladene Teilchen unter gleichen Bedingungen. In diesem Fall fungiert der magnetische Undulator gewissermaßen als eine Komponente eines Freie-Positronen Lasers.
Eine weitere Verbesserung der Kohärenz der von dem kristallinen Undulator 6 im Betriebszustand erzeugten elektromagnetischen Strahlung der Hauptlängenwelle λ_H kann erreicht werden, wenn die Energieverteilung des Teilchenstrahls 30, der in den FEL 14 eingespeist wird, eine Schichtung aufweist.
In 7 ist auf der Abszisse die Teilchenenergie und auf der Ordinate die Teilchendichte aufgetragen, beides in beliebigen Einheiten. Die Standardverteilung 70 entspricht dabei im Wesentlichen der Teilchendichte als Funktion der Energie, wie sie gewöhnlich bei Teilchenstrahlen 30 in Freie-Elektronen-Lasern 14 eingesetzt wird. Eine geschichtete Energieverteilung ist beispielhaft durch die geschichtete Verteilung 74 angedeutet. Die Maxima und Minima der räumlichen Verteilung der Teilchen in den Microbunches korrespondieren dabei zu den Maxima und Minima in der geschichteten Verteilung 74. In diesem Fall sind im Frequenzspektrum die höheren Harmonischen mit Perioden, die ungefähr dem Abstand zwischen den Maxima (oder Minima) der Bunch-Formen entsprechen, stark verstärkt.
Eine hohe Kohärenz der Hauptstrahlung 10 kann erreicht werden, wenn der kristalline Undulator 6 derart konfiguriert ist, dass die Hauptwellenlänge λ_H einer dieser Harmonischen entspricht. Um die oben genannte Photonenenergie im Gammabereich zu erreichen, ist der kristalline Undulator 6 auf eine höhere Harmonische der Ordnung mehrere Zehnte bis mehrere Hunderte eingestellt.
Wie oben erwähnt sind üblicherweise die geladenen Teilchen des Teilchenstrahls 30 eines Beschleunigers (energetisch) nach dem Gaußgesetz verteilt, dies entspricht der Standardverteilung 70. Die geschichtete Energieverteilung der Teilchen 74 kann beispielweise mit Hilfe der in 8 schematisch dargestellten Energieschichtungsvorrichtung 80 erzeugt werden.
Die Energieschichtungsvorrichtung 80 besteht aus vier Dipolmagneten 34 und einem Gitter 84. Durch die in der 8 links dargestellten zwei Magneten 34 werden die in Strahlrichtung 12 in die Energieschichtungsvorrichtung 80 eintretenden Teilchen mit verschiedenen Energien räumlich separiert. Dann wird etwa die Hälfte der Teilchen in dem Gitter 84 absorbiert. Die andere Hälfte wird durchgelassen, wobei deren Verteilung in räumliche Schichten 88 separiert wird. Jede Schicht 88 hat verschiedene Energie. Die in der 8 rechts dargestellten zwei Magnete 34 führen die räumlich separierte Teilchen wieder zusammen. Beim Ausgang aus der Vorrichtung 80 weist der Strahl somit eine geschichtete Energieverteilung auf.
Die Energieschichtungsvorrichtung 80 wird vorteilhafterweise (in Strahlrichtung 12 gesehen) vor oder nach dem Teilchenbeschleuniger 17 oder beispielsweise zwischen zwei Sektionen eines Linearbeschleunigers räumlich angeordnet. Andere Methoden zur Herstellung einer geschichtete Energieverteilung von Teilchen sind ebenfalls bekannt (siehe E. G. Bessonov, Nucl. Instrum. Meth. A 528 (2004) s. 511).
Die Wechselwirkung der Teilchen mit den (elektromagnetischen) Felder des Magnetfeldundulators 16 und der Nebenstrahlung 18 der Nebenwellenlänge λ_N führt zu eine Drehung der Phasenebene der Teilchen. Diese Drehung kann durch der Gleichung des mathematischen Pendels ausgerechnet werden (siehe zum Beispiel P. Schmüser, M. Dohlus, J. Rossbach, „Ultraviolet and Soft X-Ray Free-Electron Lasers” Springer, Berlin-Heidelberg 2008). Dabei wird die geschichtete Energieverteilung der Teilchen in eine räumliche Modulation der Teilchendichte entlang des Teilchenstrahls umgewandelt (siehe E. G. Bessonov, Nucl. Instrum. Meth. A 528 (2004) s. 511).
In dem Punkt, wo die Phasenebene um circa 90 Grad rotiert wird, werden die Teilchen in Paketen (Microbunches) mit der räumlichen Periode der Nebenwellenlänge λ_N gruppiert. Diese Gruppierung ist in 9 illustriert, bei der auf der Ordinate 64 die Teilchendichte und entlang der Abszisse 60 die räumliche Teilchenposition entlang der Strahlrichtung 12 aufgetragen ist. Aufgrund der geschichteten Energieverteilung der Teilchen besteht jeder Microbunch aus noch kleineren Paketen. Der Abstand zwischen diesen Paketen entspricht vorteilhafterweise der Hauptwellenlänge λ_H.
In dem Punkt, wo die Phasenebene um circa 90 grad rotiert wird, erreicht die der Hauptwellenlänge λ_H entsprechende Amplitude der Fourier-Komponente der räumlichen Verteilung der Teilchen ihr Maximum. Genau in diesen Punkt bzw. an dieser räumlichen Position x wird der kristalline Undulator vorteilhafterweise platziert werden. Die Position x kann also innerhalb oder unmittelbar am Ende des elektromagnetischen Undulators bzw. Magnetfeldundulators 16 liegen. Falls die Phasenebene weniger als 90 Grad über die gesamte Länge des elektromagnetischen Undulators rotiert wird, muss der kristalline Undulator 6 mit bestimmtem Abstand A in Strahlrichtung 12 hinter dem elektromagnetischen Undulator platziert werden, da die entsprechende Amplitude erst dort ihr Maximum erreicht.
Bezugszeichenliste

2: Vorrichtung
6: kristalliner Undulator
10: Hauptstrahlung
12: Strahlrichtung
14: Freie-Elektronen-Laser (FEL)
16: Magnetfeldundulator
17: Teilchenbeschleuniger
18: Nebenstrahlung
22: mittlere Kristallundulatorstrahlachse
26: mittlere Undulatorstrahlachse
30: Teilchenstrahl
34: Dipolmagnet
40: elektromagnetische Zusatzstrahlungsquelle
44: Magnetvorrichtung
50: Atomzentrum
60: Abszisse
64: Ordinate
70: Standardverteilung
74: geschichtete Verteilung
80: Energieschichtungsvorrichtung
84: Gitter
88: räumliche Schicht
λ_H: Hauptwellenlänge
λ_N: Nebenwellenlänge
A: Abstand
a: Biegeamplitude
d: Kristallebenenabstand
E: Kristallebene
l: Länge
x: räumliche Position

Claims

Vorrichtung (2) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung einer Hauptwellenlänge (λ_H) mit einem kristallinen Undulator (6) mit einer mittleren Kristallundulatorstrahlachse (22), mit einem Teilchenbeschleuniger (17) zur Erzeugung eines Teilchenstrahls (30) elektrisch geladener Teilchen, und mit einem elektromagnetischen Undulator (16) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung einer Nebenwellenlänge (λ_N) mit einer mittleren Undulatorstrahlachse (26), die derart konfiguriert ist, dass die Kristallundulatorstrahlachse (22) und die Undulatorstrahlachse (26) im Wesentlichen übereinstimmen und dass der im Teilchenbeschleuniger (17) beschleunigte Teilchenstrahl (30) im Betriebszustand zuerst zumindest teilweise den elektromagnetischen Undulator (16) und anschließend den kristallinen Undulator (6) durchläuft.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von Nebenwellenlänge (λ_N) zu Hauptwellenlänge (λ_H) größer als Eins und im Wesentlichen ganzzahlig ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 2, wobei bei vorgegebenem ganzzahligen n > 1 der kristalline Undulator (6) in einem lokalen oder globalen Maximum der Amplitude der höheren harmonischen räumlichen Modulation der Dichte des Teilchenstrahls (30) der Periode Nebenwellenlänge/n angeordnet ist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der kristalline Undulator (6) als periodisch gebogener Kristall ausgeführt ist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der kristalline Undulator (6) als Kristall ausgeführt ist und wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen umfasst, die im Betriebszustand eine im Wesentlichen transversale Schallwelle erzeugt, durch die der kristalline Undulator (6) zumindest teilweise in transversaler Richtung zur Kristallundulatorstrahlachse (22) im Wesentlichen periodisch gebogen wird.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Teilchenbeschleuniger (17) und der elektromagnetische Undulator (16) Komponenten eines Freie-Elektronen-Lasers (14) sind.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der geladene Teilchenstrahl (30) relativistische Positronen umfasst.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der geladene Teilchenstrahl (30) relativistische Elektronen umfasst.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die geladenen Teilchen des Teilchenstrahls (30) eine geschichtete Energieverteilung (74) aufweisen.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die derart konfiguriert ist, dass die Hauptwellenlänge (λ_H) zwischen 0.001 Å und 1 Å liegt.
Verfahren (2) zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung einer Hauptwellenlänge (λ_H), bei dem ein Teilchenstrahl (30) geladener Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger (17) beschleunigt und in einen elektromagnetischen Undulator (16) geführt wird, in dem er durch ein räumlich periodisches magnetisches und/oder elektrisches Feld auf eine oszillatorische Bahn gebracht wird und dabei mit elektromagnetischer Strahlung einer Nebenwellenlänge (λ_N) wechselwirkt, und wobei der Teilchenstrahl (30) anschließend durch einen kristallinen Undulator (6) geführt wird, in dem er elektromagnetische Strahlung der Hauptwellenlänge (λ_H) abgibt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der elektromagnetische Undulator (16) derart konfiguriert ist, dass die Nebenwellenlänge (λ_N) größer als die Hauptwellenlänge (λ_H) ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Teilchen des in den elektromagnetischen Undulator (16) geführten Teilchenstrahls (30) eine geschichtete Energieverteilung (74) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei bei vorgegebenem ganzzahligen n > 1 der kristalline Undulator (6) in einem lokalen oder globalen Maximum der Amplitude der höheren harmonischen räumlichen Modulation der Dichte des Teilchenstrahls (30) der Periode Nebenwellenlänge/n angeordnet wird.