DE102013106328B4 - Hadronen-Geschwindigkeitsmessgerät und Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit von Hadronen - Google Patents

Abstract

Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1), aufweisend eine Hadronen-Transporteinrichtung (7) sowie eine Elektronen-Messvorrichtung (2) mit einer Elektronen-Separationseinrichtung (13, 14, 15) zur Separation von Elektronen (10, 11), die sich parallel zur Transportrichtung der Hadronen (9) in der Hadronen-Transporteinrichtung (7) bewegen, sowie einer Elektronen-Nachweisvorrichtung (5), wobei die Elektronen-Messvorrichtung (2) als Elektronenenergie-Messvorrichtung ausgebildet ist und wobei die Elektronen-Freisetzung in der Hadronen-Transporteinrichtung (7) durch Interaktion der durch die Hadronen-Transporteinrichtung (7) transportierten Hadronen (9) mit Restgasatomen mit Drücken ≤ 10–1 Pa erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung mit einer Hadronen-Transporteinrichtung sowie einer Elektronen-Messvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit von Hadronen in einer Hadronen-Transporteinrichtung.
• Beschleunigte hadronische Teilchen werden zwischenzeitlich in unterschiedlichsten technischen Gebieten verwendet. Bei hadronischen Teilchen ist insbesondere an meist ionisierte Atome und/oder Moleküle zu denken.
• Als Beispiele für Gebiete der Technik, in denen beschleunigte hadronische Teilchen genutzt werden, ist an Implantationsverfahren (Ionenimplantation), Sputter-Verfahren, ionenstrahlunterstützte Depositionsverfahren, Oberflächenbearbeitung (wie beispielsweise Veredelung, Formgebung, Strukturgebung, Beschichtung, Härtung, Ätzen) oder auch an medizinische Anwendungen wie beispielsweise die Tumortherapie zu denken.
• In fast allen Gebieten, in denen beschleunigte hadronische Teilchen zum Einsatz kommen, ist eine möglichst genaue Kenntnis über die Geschwindigkeit (kinetische Energie) der jeweiligen hadronischen Teilchen erforderlich. Dies ist insbesondere deshalb erforderlich, weil unterschiedliche Energien eine unterschiedliche Eindringtiefe in die bestrahlte Materie und/oder unterschiedliche Wechselwirkungseffekte zur Folge haben können.
• Insbesondere dann, wenn höhere Energien erforderlich sind (also beispielsweise im Bereich von mehr als 1 keV pro Nukleon, mehr als 10 keV pro Nukleon, mehr als 100 keV pro Nukleon, mehr als 1 MeV pro Nukleon, mehr als 5 MeV pro Nukleon oder mehr als 10 MeV pro Nukleon) finden Teilchenbeschleuniger wie Linearbeschleuniger, Zyklotrons und Synchrotrons Verwendung (insbesondere im Falle von höheren Energien auch in Kombination, beispielsweise derart, dass ein Linearbeschleuniger als „Anfangsbeschleuniger” für ein Teilchensynchrotron verwendet wird). Die Teilchen werden dabei meist in Form von sogenannten „Teilchenbunches” erzeugt, d. h. dass kein kontinuierlicher Teilchenstrahl vorliegt, sondern ein „zerhackter Teilchenstrahl”, bei dem typischerweise ein- bis mehrmals pro Sekunde ein „Paket” an hadronischen Teilchen mit ungefähr gleicher Geschwindigkeit erzeugt wird.
• Zur Kontrolle und Nachregelung der verwendeten Teilchenbeschleuniger ist es sowohl sinnvoll als auch wünschenswert, wenn die Geschwindigkeit der hadronischen Teilchen gemessen werden kann. Dies gilt sowohl im Falle von kontinuierlichen Teilchenstrahlen (DC-Teilchenstrahlen oder CW-Teilchenstrahlen; DC für „direct current”; CW für „continuos wave”), aber insbesondere auch für die Geschwindigkeitsverteilung der hadronischen Teilchen in einem einzelnen Teilchenbunch (im Falle von nicht-kontinuierlichen Teilchenstrahlen; denn es kann durchaus sein, dass in einem einzelnen Teilchenbunch bis zu einem gewissen Grad unterschiedliche Energien auftreten). Weiterhin ist es wünschenswert, dass das Geschwindigkeitsmessverfahren bzw. die dazu verwendete Geschwindigkeitsmessvorrichtung möglichst „zerstörungsfrei für den Teilchenstrahl” arbeitet, d. h., dass der Teilchenstrahl durch die Messung nicht oder allenfalls nicht störend beeinflusst wird.
• Bisherige Messverfahren haben in aller Regel den Nachteil, dass diese nur die „Durchschnittsgeschwindigkeit” eines Teilchenbunches zu messen vermögen oder dass der Teilchenstrahl nach der Messung nicht mehr (sinnvoll) verwendet werden kann (sodass Teilchenbunches, die gemessen werden, „verloren gehen”, was die gesamte Strahlzeitdauer verlängert und was dementsprechend unerwünscht ist). Selbst dann, wenn es bei einem Messverfahren möglich sein sollte, die Energieverteilung innerhalb der Teilchenbunches zu vermessen, so ist hierfür ein sehr hoher apparativer Aufwand erforderlich ist, und es fallen sehr große Datenmengen bei der Messung an, die numerisch aufwändig zu verarbeiten sind. Meist verhält es sich sogar so, dass beide Nachteile vorhanden sind, also dass durch die Messung nur die Durchschnittsgeschwindigkeit der Teilchenbunches ermittelt werden kann und der jeweils gemessene Teilchenbunch anschließend nicht mehr weiterverwendet werden kann.
• Ein Verfahren zur Überprüfung der Energie eines Ionenstrahls ist beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 87/07978 A1 beschrieben. Hierzu wird der Ionenstrahl in eine Reaktionskammer geführt. In der Reaktionskammer befindet sich ein Eichgas. Die Energie der Ionen wird vor dem Eintritt in die Reaktionskammer variiert und die Reaktionsprodukte der in der Reaktionskammer auftretenden Ionen-Molekülreaktionen werden gemessen. Die Energie der eintretenden Ionen wird dabei solange verändert bis das energieabhängige Verhältnis der Produktionsraten zweier Reaktionsprodukte der Ionen-Molekülreaktionen einen vorgegebenen Wert annimmt oder bis die unter Auftreten eines Extremums energieabhängige Produktionsrate eines Reaktionsprodukts dieses Extremum erreicht. Das Verfahren „zerstört” einerseits den Ionenstrahl. Andererseits ist es aufgrund des Messprinzips lediglich für sehr langsame Ionen mit einer Energie von typischerweise 2 eV oder darunter geeignet. Für die um Zehnerpotenzen höheren Energien von beschleunigten Ionen bei Ionenbeschleunigern ist das Verfahren nicht geeignet. Weiterhin kann oftmals kein Reaktionsgasgemisch mit bekannter Gaszusammensetzung zur Verfügung gestellt werden.
• In der Veröffentlichung „Cusp-elektrons used for velocity measurements of heavy ion projectiles” von R. Mann, S. Hagmann und L. Weitzel in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B34 (1988) Seite 403–406 wird vorgeschlagen, einen beschleunigten Ionenteilchenstrahl auf ein Target treffen zu lassen. Durch die Interaktion zwischen Ionenstrahl und Target kommt es (unter anderem) zur Erzeugung von sogenannten CUSP-Elektronen („CUSP” steht für das englische Wort „cusp” welches „Spitze” bzw. „Scheitelpunkt” bedeutet und die charakteristische spitze Form der Elektronenenergieverteilung beschreibt). Durch Messung der Energie der erzeugten CUSP-Elektronen ist es möglich, auf die Energie des einfallenden Ionenstrahls zu schließen. In der Veröffentlichung wird die Verwendung sowohl eines Festkörper-Targets als auch eines Gas-Targets (insbesondere Neon) vorgeschlagen. Unabhängig vom vorgeschlagenen Target ist die Wechselwirkungsrate zwischen Target und Ionenstrahl so hoch, dass der gemessene Ionenstrahl in der Regel nicht sinnvoll weiterverwendet werden kann und daher in eine Faraday-Cup gedumpt wird (wobei hierdurch zusätzlich die „Stärke” (Teilchenanzahl pro Zeiteinheit/Teilchenfluenz) des Ionenstrahls gemessen werden kann).
• Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung vorzuschlagen, die gegenüber Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, verbessert ist. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit von Hadronen vorzuschlagen, welches gegenüber Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von Hadronen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, verbessert ist.
• Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Die Ansprüche 2 bis 10 beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung.
• Es wird vorgeschlagen, eine Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung, die eine Hadronen-Transporteinrichtung sowie eine Elektronen-Messvorrichtung aufweist, wobei die Elektronen-Messvorrichtung eine Elektronen-Separationseinrichtung zur Separation von Elektronen, die sich parallel zur Transportrichtung der Hadronen in der Hadronen-Transporteinrichtung bewegen sowie eine Elektronen-Nachweisvorrichtung aufweist, derart auszubilden, dass die Elektronen-Messvorrichtung als Elektronenenergie-Messvorrichtung ausgebildet ist und bei der die Elektronen-Freisetzung in der Hadronen-Transporteinrichtung durch Interaktion der durch die Hadronen-Transporteinrichtung transportierten Hadronen mit Restgasatomen mit Drücken ≤ 10^–1 Pa erfolgt. Ein großer Vorteil der vorgeschlagenen Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung ist, dass der Hadronenstrahl, dessen Energie gemessen werden soll, in aller Regel ohne signifikante Qualitätsverluste weiterverwendet werden kann (beispielsweise für ein Experiment bzw. zur Weiterbeschleunigung (beispielsweise in einem Synchrotron) und/oder zur Speicherung (beispielsweise in einem Speicherring)). Dies rührt daher, dass eine signifikante „Verschmutzung” des Vakuums, welches zum „Transport” eines Hadronenstrahls erforderlich ist, nicht bzw. in allenfalls nur unwesentlichem Maße erfolgt. Vielmehr wird das in der Regel nicht bzw. nur schwer zu vermeidende Restgas zur Erzeugung von in der Regel CUSP-Elektronen verwendet, die anschließend durch eine geeignete Elektronen-Messvorrichtung vom Teilchenstrahl absepariert und hinsichtlich ihrer Energie vermessen werden. Dementsprechend werden auch nur vergleichsweise wenige Teilchen im Hadronenstrahl durch die Interaktion mit Restgas-Teilchen „zerstört”. Die Elektronen-Separationseinrichtung, die der Separation der Elektronen vom Hadronenstrahl dient, kann dabei eine rein „teilchenspezifische” Separationswirkung aufweisen, sodass der Hadronenstrahl vom Elektronenstrahl „getrennt” wird. Die Separationswirkung kann jedoch (mittelbar oder unmittelbar) noch in weiterer Hinsicht erfolgen, wie beispielsweise in Bezug auf die Flugrichtung der Elektronen (also dass beispielsweise nur Elektronen, die (im Wesentlichen) in einer bestimmten Richtung fliegen, schlussendlich zur Elektronen-Nachweisvorrichtung gelangen). Ebenso ist es möglich, dass die Separationswirkung dahingehend erfolgt, dass die Elektronen derart geführt werden, dass die Elektronen-Nachweisvorrichtung derart angeordnet werden kann, dass diese beispielsweise besonders unempfindlich auf Streustrahlung des Hadronenstrahls oder dergleichen reagiert. Bei der Hadronen-Transporteinrichtung kann es sich insbesondere um eine sogenannte Beam-Pipe handeln, also ein (evakuiertes) Stahlrohr, durch das der Hadronenstrahl hindurchfliegt, um beispielsweise von einem Beschleuniger zu einem Experiment geführt zu werden. Dabei ist es möglich, dass die Beam-Pipe lediglich „als solche” vorliegt und/oder dass im Bereich der Beam-Pipe zusätzliche Vorrichtungen angeordnet sind, wie beispielsweise (Vakuum-)Pumpen, sonstige technische Vorrichtungen, Flansche, kryostatische Einrichtungen und dergleichen. Vorzugsweise sollten (falls solche angeordnet sind) die technischen Einrichtungen derart angeordnet sein, dass der Hadronenstrahl (und insbesondere die durch den Hadronenstrahl „erzeugten” CUSP-Elektronen) über eine größere Wegstrecke hinweg nicht beeinflusst, insbesondere nicht „zerstört” bzw. stark negativ beeinflusst werden. Obgleich der Sprung von einem Gas-Target hin zu einer Erzeugung von CUSP-Elektronen durch das in der Hadronen-Transporteinrichtung verbliebene Restgas in rückblickender Betrachtungsweise als vergleichsweise naheliegend erscheinen mag, ist dies nicht der Fall. Denn auch der Erfinder hat zu seiner eigenen Überraschung festgestellt, dass das in der Hadronen-Transporteinrichtung verbleibende Restgas (selbst wenn sich dieses in einem Druckbereich eines Hochvakuums (HV; typischerweise zwischen 1 × 10^–1 Pa und 1 × 10^–5 Pa) oder eines Ultrahochvakuums (UHV; typischerweise 1 × 10^–5 Pa und 1 × 10^–10 Pa) bewegt) in Kombination mit dem Teilchenstrahl-Strom (bei typischen Teilchenbeschleuniger-Aufbauten) ausreichend ist, um eine ausreichende Menge an CUSP-Elektronen zu erzeugen, und darüber hinaus die Ablenkstörung der CUSP-Elektronen durch magnetische und elektrische Felder entlang der Projektilbahn ausreichend gering ist, dass eine Messung der Energie der hierbei erzeugten CUSP-Elektronen auch mit „überschaubarer” Messdauer (im Bereich von typischerweise zehn bis dreißig Minuten; je nach vorliegenden „Umgebungsparametern” kann die Messdauer jedoch auch hiervon abweichen und zum Teil auch im Bereich von nur wenigen Minuten, manchmal sogar im Bereich von nur wenigen Sekunden liegen) möglich ist. Möglich wird dies insbesondere dadurch, dass es – was ebenso überraschend war – möglich ist, dass CUSP-Elektronen, die über eine Entfernung von einigen Metern in der Beam-Pipe „angesammelt” werden, sämtliche zur Energiemessung herangezogen werden. „Ansammeln” heißt hierbei, dass im Wesentlichen sämtliche CUSP-Elektronen, die längs einer Beam-Pipe-Länge von mehreren Metern erzeugt werden, zu Messzwecken verwendet werden können (und nicht nur solche, die über einen kurzen Bereich hinweg erzeugt werden, so wie dies beispielsweise bei der Verwendung von Gastargets der Fall ist). Dabei ist nicht nur der „integrierende” Effekt überraschend, sondern es ist auch überraschend, dass eine derartige „Sammlung” von CUSP-Elektronen über viele Meter hinweg zu keiner Verschlechterung der Messergebnisse führt. Denn bisher war man bei Energiemessungen mit Target stets davon ausgegangen, dass ein vergleichsweise kleiner räumlicher Bereich (insbesondere hinsichtlich der Längsstreckung in Teilchenstrahlrichtung gesehen) erforderlich ist, um sinnvolle Messaussagen treffen zu können (sowohl bei Feststoff-Targets als auch bei Gas-Targets). Selbst bei extrem guten Vakua bis hin zum Extremhochvakuumbereich (XHV; typischerweise weniger als 1 × 10^–10 Pa) kann das vorgeschlagene Verfahren mit vergleichsweise überschaubaren Messzeiten verwendet werden, da derartige gute Vakua typischerweise nur in Beschleunigerringen bzw. Speicherringen erreicht werden und hier ein Teilchenbunch aufgrund der kreisförmigen Flugbahn „wiederholt zur Messung” zur Verfügung steht; mithin wird die geringe Wechselwirkungsrate (durch den geringen Restdruck) durch eine hohe effektive „Luminosität” des Hadronenstrahls kompensiert. Ein weiterer überraschender Effekt ist, dass gute Messergebnisse auch erreicht werden, obwohl das Restgas typischerweise ein Restgas-Gemisch aus unterschiedlichen Gasen darstellt. Dabei sind die vorhandenen Gase und insbesondere deren Verhältnis zueinander meist nicht (genau) bekannt. Dies ist ein Unterschied zu Gas-Targets, bei denen lediglich ein einzelnes, bekanntes Gas (beispielsweise Helium) vorliegt. Dennoch sind überraschenderweise gute Messergebnisse erzielbar. Bei einer „parallel zur Transportrichtung” der Hadronen verlaufenden Richtung der erzeugten Elektronen sind selbstverständlich gewisse Winkelabweichungen zwischen Elektronenflugbahn und Hadronen-Strahlrichtung möglich. In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, dass insbesondere im Falle besonders geringer Teilchenstrahl-Ströme eine geringe Menge von Test Gasteilchen „zugemischt” werden kann (was in der Realität insbesondere dadurch realisiert werden kann, dass das Vakuum „schlechter ausgeführt” wird, als dies technisch eigentlich möglich ist). Insbesondere ist es auch möglich, dass die Mischung des Restgas-Gemischs gezielt verändert wird, indem beispielsweise selektiv eine geringe Menge an vorzugsweise schweren Gasteilchen (hier eignet sich insbesondere Xenon-Gas) „zugemischt” wird. Insbesondere sind Winkel bis zu 0,5°, 1°, 1,5°, 2°, 2,5°, 3°, 4° oder 5° möglich. Im Falle von Experimentierbereichen bei Beam-Pipes (also die Beam-Pipe im Bereich mehrere Meter bis unmittelbar vor dem eigentlichen Experiment) sind typischerweise schlechtere Vakua im Bereich von 10^–7 bis 10^–8 Pa anzutreffen. Dies rührt daher, dass hier aufwändige Maßnahmen, wie beispielsweise Ausheizen oder Getterpumpen aus „Bequemlichkeitsgründen” oftmals ungern verwendet werden und bessere Vakua oftmals auch gar nicht erforderlich sind, da der Teilchenstrahl nur einmal durch den betreffenden Bereich hindurchfliegt und danach aufgrund des Experiments ohnehin „verloren” ist. Aber auch hier kann die vorgeschlagene Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung sinnvoll verwendet werden, da eine große Anzahl an Teilchenbunches „integrierend” vermessen werden kann (die Teilchenbunches werden ja nicht „zerstört”, sodass jeder Teilchenbunch für die Messung genutzt werden kann). Bei den Hadronen ist insbesondere an meist ionisierte Atome und/oder Moleküle zu denken. Mit anderen Worten stehen in der Regel Protonen und (Schwer-)Ionen in Rede. Im Falle von Ionen ist insbesondere an Helium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Kalzium und jeweils schwerere Ionen zu denken. Der Ionisierungsgrad ist dabei grundsätzlich beliebig. Meist handelt es sich um ein- oder mehrfach positiv geladene Ionen (d. h., dass ein oder mehrere Elektronen fehlen; meist sind die Ionen einfach, zweifach, dreifach, vierfach, fünffach oder sechsfach ionisiert). Selbstverständlich ist auch an sogenannte Teilchen-Cluster (nicht geladen; positiv oder negativ geladen) zu denken. Grundsätzlich ist jedoch auch an neutrale oder auch an negativ geladene Teilchen (also Ionen mit einem oder mehreren überschüssigen Elektronen) zu denken. Selbstverständlich ist auch an eher „exotische” hadronische Teilchen zu denken, wie beispielsweise an Pionen oder dergleichen. Besonders vorteilhaft lässt sich die vorgeschlagene Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung ganz allgemein dann einsetzen, wenn die Masse der zu vermessenden hadronischen Teilchen groß gegenüber der Masse der CUSP-Elektronen ist, weil dann der Energieverlust eines hadronischen Teilchen bei Interaktion mit einem (CUSP-)Elektron weitgehend vernachlässigbar ist.
• Eine vorteilhafte Ausbildungsform der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung ergibt sich, wenn die Elektronen-Separationseinrichtung zumindest bereichsweise als Magnetfelderzeugungsvorrichtung, bevorzugt als variable Magnetfelderzeugungsvorrichtung ausgebildet ist. Mithilfe eines Magnetfelds ist es typischerweise besonders einfach, die von den Hadronen erzeugten Elektronen und die Hadronen selbst voneinander zu trennen. Aufgrund des stark unterschiedlichen Ladungs- zu Massenverhältnis der beteiligten Teilchen ist es darüber hinaus oftmals nicht erforderlich, eine anschließende Korrekturvorrichtung für den Hadronenstrahl vorsehen zu müssen. Falls überhaupt, kann eine derartige Strahlkorrektur des Hadronenstrahls anschließend in der Regel durch ohnehin vorzusehende Ablenkmagneten, Fokussiermagneten und dergleichen korrigiert werden. Diese müssen gegebenenfalls nur vergleichsweise geringfügig nachgesteuert werden, um den entsprechenden Effekt zu realisieren. Da – wie bereits implizit erwähnt – die Elektronen relativ einfach abzulenken sind, sind vergleichsweise geringe Magnetfelder erforderlich, um eine gute Ablenkwirkung für die Elektronen zu realisieren. Möglich ist es, insbesondere Luftspulen mit lediglich einigen Dutzend Windungen (oder dergleichen) vorzusehen. Auch die erforderlichen elektrischen Ströme sind vergleichsweise gering. Selbstverständlich ist es auch möglich, zusätzlich oder alternativ zu einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung ein anderes Ablenkprinzip bzw. Trennungsprinzip für Hadronen und/oder Elektronen vorzusehen.
• Die Hadronen-Geschwindigkeitsvorrichtung ist zumindest bereichsweise als Vakuumeinrichtung ausgebildet. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn bei der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung die Hadronen-Transporteinrichtung, die Elektronen-Separationseinrichtung und/oder die Elektronen-Nachweiseinrichtung zumindest bereichsweise als Vakuumeinrichtung ausgebildet sind. Oftmals (wie insbesondere im Falle der Hadronen-Transporteinrichtung) sind entsprechende Komponenten ohnehin mit einem Vakuum zu beaufschlagen. Dementsprechend ist hier kein „zusätzlicher Aufwand” erforderlich. Wenn vergleichsweise große Teile der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung als Vakuumeinrichtung ausgebildet sind, kann einerseits die Messgenauigkeit und die Nachweisempfindlichkeit typischerweise erhöht werden. Andererseits können auch „zwischenliegend anzuordnende” Separationseinrichtungen zwischen Vakuum-Bereichen und gasgefüllten Bereichen eingespart werden (beispielsweise Trennwände oder Membranen). Auch dies hat typischerweise konstruktive Vorteile.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung ergibt sich, wenn die Energiemessung der in der Hadronen-Transporteinrichtung erzeugten und/oder in der Elektronen-Nachweisvorrichtung gemessenen Elektronen durch eine Elektronen-Teilchenselektion in der Elektronen-Separationseinrichtung und/oder durch eine energieselektive Elektronen-Nachweisvorrichtung gemessen wird. Eine Ausbildung, bei der eine Elektronen-Teilchenselektion in Abhängigkeit von der Energie erfolgt, kann den Vorteil haben, dass diese vergleichsweise einfach aufgebaut werden kann und/oder hierdurch besonders genaue Messergebnisse erzielt werden können. Insbesondere ist es möglich, dass die Elektronen-Nachweisvorrichtung besonders einfach aufgebaut werden kann (da diese nicht energieselektiv ausgebildet sein muss). Nachteilig dabei kann es jedoch sein, dass tendenziell längere Messdauern vonnöten sind. Dennoch ist es oftmals möglich, Messdauern im Bereich von etwa zehn bis dreißig Minuten zu realisieren, sodass ein derartiger Aufbau nicht übermäßig nachteilig sein muss. Ein Aufbau mit einer energieselektiven Elektronen-Nachweisvorrichtung bedingt zwar in der Regel eine aufwändigere Elektronen-Nachweisvorrichtung, kann jedoch insbesondere hinsichtlich der Messgeschwindigkeit, gegebenenfalls aber auch beispielsweise hinsichtlich der Messgenauigkeit, vorteilhaft sein. Möglich ist auch eine Kombination aus Elektronen-Teilchenselektion und energieselektiver Elektronen-Nachweisvorrichtung, sodass Vorteile aus „beiden Welten” vorteilhaft miteinander verknüpft werden können. Eine Variation der Elektronen-Teilchenselektion ist beispielsweise durch eine Variation eines Magnetfelds oder anderer ablenkender Mechanismen der Elektronen-Separationseinrichtung vorteilhaft und auf einfache Weise möglich.
• Als besonders vorteilhaft kann es sich erweisen, wenn bei der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung die Elektronen-Separationseinrichtung zumindest bereichsweise als gekrümmte Elektronen-Transporteinrichtung ausgebildet ist. Hierdurch kann in aller Regel ein kleiner Hohlraum für die Elektronen-Messvorrichtung realisiert werden, da die Elektronen durch beispielsweise ein ablenkendes Magnetfeld ohnehin auf eine Kreisbahn gezwungen werden. Die Elektronen-Separationseinrichtung ist folglich vorzugsweise derart gebaut, dass sie der Elektronenteilchen-Flugbahn „nachgebildet” ist. Dies ist aus nachvollziehbaren Gründen in der Regel besonders vorteilhaft. Eine gekrümmte Elektronen-Transporteinrichtung kann darüber hinaus den Vorteil haben, dass die Elektronen-Nachweisvorrichtung an einem Ort platziert werden kann, der besonders vorteilhaft ist. Dies kann sich beispielsweise darauf beziehen, dass die Elektronen an einen Ort „geführt” werden, wo mehr Platz als unmittelbar benachbart zur Beam-Line besteht. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass die Elektronen an einen Ort geführt werden, der beispielsweise besonders vorteilhaft hinsichtlich Streustrahlung oder dergleichen ist. In diesem Zusammenhang bietet sich insbesondere eine Ablenkung um einen Winkel von 180° an, da hierdurch die Rückseite der Elektronen-Nachweisvorrichtung, die in aller Regel besonders unempfindlich ist, in eine Richtung zeigen kann, aus der primär Streustrahlung zu erwarten ist. Selbstverständlich können gewisse Variationen des vorgeschlagenen Winkels vorgesehen werden, insbesondere +/–5°, +/–10° oder +/–15°. Andere vorteilhafte „Startwinkel” können darüber hinaus 90° und 270° sein. Eine weitere Möglichkeit ist es, dass die Elektronen beispielsweise um 360°, 540°, 720° oder allgemein Vielfache von 180° bzw. 360° geführt werden, wobei hierbei meist eine zusätzliche Ablenkung in „senkrechter” Richtung vonnöten ist, mithin eine Art Schraubenlinie realisiert werden muss. Eine derartige Ausbildung kann ebenfalls in besonderer Weise eine besondere Unempfindlichkeit gegenüber Streustrahlung oder sonstigen nachteiligen Effekten realisieren.
• Als vorteilhaft kann es sich erweisen, wenn bei der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung die Elektronen-Nachweisvorrichtung als verstärkende Elektronen-Nachweisvorrichtung ausgebildet ist. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Channeltron bzw. um eine microchannel plate (manchmal auch als „multi-channel plate” bezeichnet) handeln. Derartige Vorrichtungen haben üblicherweise die Eigenschaft, dass ein einzelnes einfallendes Elektron durch einen entsprechenden Aufbau der Elektronen-Nachweisvorrichtung nach Art eines „Lawineneffekts” verstärkt wird. Auf diese Weise kann das sehr kleine Signal eines einzelnen Elektrons in ein messbares, vergleichsweise großes elektrisches Signal umgewandelt werden. Insbesondere kann auch ein ortsauflösendes microchannel plate verwendet werden, so dass eine energieselektive Messung möglich wird (was bereits vorab beschrieben wurde). Hierdurch kann die Nachweisgenauigkeit der Elektronen-Nachweisvorrichtung in der Regel deutlich erhöht werden. Die Messdauer der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung kann dadurch in aller Regel signifikant verringert werden, sodass „überschaubare Messzeiten” resultieren können.
• Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung eine zusätzliche Elektronenerzeugungs- und/oder Elektroneninjektionsvorrichtung vorgesehen wird. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Fall, wenn die erzeugten bzw. injizierten Elektronen eine definierte Energie aufweisen. In diesem Fall können diese als „Eichnormal” (genauer: Kalibrierungsreferenz) für die Energiemessung der Elektronen dienen. Dies ermöglicht es insbesondere, dass die für die Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung verwendeten Komponenten nicht hochgenau gefertigt und/oder eingebaut werden müssen. Weiterhin können Effekte, die beispielsweise durch benachbarte Beschleunigerkomponenten und/oder unterschiedliche Anordnungen der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung relativ zum Erdmagnetfeld entstehen können, im Wesentlichen keine Wirkung auf die Messgenauigkeit der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung haben. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die erzeugten bzw. injizierten Elektronen nicht dauerhaft erzeugt, bzw. injiziert werden müssen. Vielmehr ist es meist völlig ausreichend, wenn beispielsweise einmal pro Stunde oder einmal am Tag eine Kalibrierung der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung durchgeführt wird. Dementsprechend ist der durch die Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung infolge einer Referenz-Elektroneninjektion resultierende Verlust an „gemessener Strahlzeit” vernachlässigbar (der eigentliche Hadronen-Teilchenstrahl wird durch Zuschalten der Elektronenerzeugungsvorrichtung bzw. der Elektroneninjektionvorrichtung meist nicht signifikant beeinflusst; die Messung der Energie der erzeugten CUSP-Elektronen kann jedoch empfindlich gestört werden). Um den Verlust an „Energie-gemessener Strahlzeit” zu verringern (bzw. zu verhindern) ist es auch möglich, dass die Injektion der Referenz-Elektronen (zum Großteil) in den Pausen zwischen zwei Hadronen-Teilchenbunches erfolgt. Die Elektronenerzeugungsvorrichtung kann im Wesentlichen beliebig aufgebaut sein. Da die Energie der erzeugten Elektronen typischerweise nicht besonders groß sein muss, können einfache Elektronenkanonen (Emitterkathode und eine einzelne Beschleunigerspannungsstrecke) bzw. gegebenenfalls auch kleinere Zyklotrons genutzt werden. Die Elektroneninjektion kann beispielsweise unter Vermittlung von Magnetfeldern, elektrostatischen Filtern, Wien-Filtern oder dergleichen erfolgen. Hierin liegt auch der Umstand begründet, dass bei einer Elektroneninjektion typischerweise keine Geschwindigkeitsmessung der (Mehrzahl der) „normalen” CUSP-Elektronen mehr möglich ist, da die für die Injektion der Referenzelektronen verwendeten Magnetfelder die CUSP-Elektronen, die in Teilchenflugbahnrichtung gesehen vor der Elektronenerzeugungsvorrichtung bzw. der Elektroneninjektionseinrichtung erzeugt werden, derart ablenken, dass diese nicht mehr bei der Elektronen-Messvorrichtung ankommen. Darüber hinaus ist die Anzahl der CUSP-Elektronen, die die Elektronen-Messvorrichtung nach wie vor erreichen, in der Regel zahlenmäßig im Wesentlichen vernachlässigbar gegenüber der Anzahl der Elektronen, die von der Elektronenerzeugung-s bzw. Elektroneninjektionsvorrichtung stammen. Der Vollständigkeit halber sollte erwähnt werden, dass es auch mit vergleichsweise einfach aufgebauten Elektronenerzeugungsvorrichtungen bzw. Elektroneninjektionsvorrichtungen möglich ist, Elektronen mit vergleichsweise genau definierter Energie in die Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung einzubringen.
• Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Hadronen-Transporteinrichtung der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung als Teil einer Hadronen-Teilchenbeschleunigereinrichtung ausgebildet ist. Gerade in diesem Umfeld ist die Messung von Hadronenenergien erforderlich. Bei der Teilchenbeschleunigervorrichtung kann es sich um einen Linearbeschleuniger, ein Synchrotron, einen Speicherring oder um Transport-Beam-Pipes (bzw. auch deren (teilweise) kombinierte Anordnung) handeln.
• Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung kann sich ergeben, wenn diese derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie eine Elektronenenergie-Verteilung zu messen vermag. Die Elektronenenergie-Verteilung korreliert dabei zur Energieverteilung der hadronischen Teilchen im Hadronen-Teilchenstrahl. Mit einer derartigen Ausbildung ist es nicht nur möglich, die „Durchschnittsenergie” der Teilchenbunches zu vermessen, sondern vielmehr kann auch die Energieverteilung innerhalb der Teilchenbunches gemessen werden. Mit derartigen Messergebnissen (die bei Vorrichtungen im Stand der Technik bislang schwer oder gar nicht möglich waren) sind nicht nur genauere Aussagen hinsichtlich der vorkommenden Teilchenenergien und deren Verteilung möglich. Vielmehr können mit derartigen Messergebnissen gegebenenfalls auch Optimierungen der Teilchenbeschleuniger-Anordnung (beispielsweise nach Justierung diverser Komponenten) realisiert werden. Dies kann deutliche, zusätzliche Vorteile nach sich ziehen.
• Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung zumindest eine Steuerungseinrichtung aufweist, welche zumindest Teile der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung automatisiert ansteuert. Hierdurch sind ein automatisierter Betrieb der Anordnung und eine automatisierte Ausgabe der Messergebnisse bzw. des Messergebnisses möglich. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise an eine zyklische Variation eines ablenkenden Magnetfelds oder dergleichen zu denken. Auch an eine „getaktete Ansteuerung” einer Elektronenerzeugungsvorrichtung bzw. einer Elektroneninjektionsvorrichtung ist in diesem Zusammenhang zu denken. Die Ausbildung der Steuerungseinrichtung kann beispielsweise als digitale Steuerungseinrichtung erfolgen, beispielsweise unter Verwendung von einem Einplatinencomputer.
• Weiterhin wird ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit von Hadronen in einer Hadronen-Transporteinrichtung vorgeschlagen, bei dem die Energie von Elektronen gemessen wird, die durch Interaktion der Hadronen mit Restgasatomen mit Drücken ≤ 10^–1 Pa in der Hadronen-Transporteinrichtung in Flugrichtung der Hadronen erzeugt werden. Ein derartiges Verfahren weist die bereits vorab genannten Vorteile und Eigenschaften der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung und deren Weiterbildungen in Analogie auf. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene Verfahren im Sinne der vorherigen Beschreibung zumindest in analoger Weise weiterentwickelt werden, was entsprechende Vorteile und Eigenschaften nach sich ziehen kann.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1: ein Ausführungsbeispiel für eine Ionengeschwindigkeitsmessanordnung in schematischer Draufsicht von oben gesehen;
• 2: zwei beispielhafte Messungen unter Verwendung der in 1 dargestellten Ionengeschwindigkeitsmessanordnung;
• 3: ein mögliches Ausführungsbeispiel für ein Ionengeschwindigkeitsmessverfahren in Form eines schematischen Flussdiagramms.
• In 1 ist ein denkbares Ausführungsbeispiel für eine Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 dargestellt. Die Ionengeschwindigkeitsmessanordnung kann beim vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel in im Wesentlichen drei Hauptbaugruppen unterteilt werden. Dies ist zum einen der Elektronenseparationsteil 2 (einschließlich einem Elektronenmessgerät 5), eine Elektronenerzeugungsstrecke 3 (mit der Länge l, in 1 durch die Bemaßung 6 angedeutet) sowie die Referenzelektroneneintragseinheit 4. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektroneneintragseinheit 4 im Bereich der Elektronenerzeugungsstrecke 3 angeordnet. Da die Referenzelektroneneintragseinheit 4 jedoch nicht kontinuierlich läuft (im Folgenden genauer beschrieben), sind Elektronenerzeugungsstrecke 3 und Referenzelektroneneintragseinheit 4 jedoch „zeitlich voneinander getrennt” (wenn auch nicht mechanisch voneinander getrennt). Die Elektronenerzeugungsstrecke 3 fällt darüber hinaus mit dem Teilchenstrahlrohr 7 (einer sogenannten „Beam-Pipe”) einer Teilchenbeschleunigeranordnung zusammen. Die genaue Position und/oder Funktion des Teilchenstrahlrohrs 7 ist dabei grundsätzlich unerheblich.
• Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich beispielsweise um den Teil einer Teilchenbeschleunigeranordnung, welcher kurz vor dem eigentlichen Experiment liegt. D. h., dass die bereits beschleunigten Ionen ihre Endgeschwindigkeit erreicht haben und dementsprechend die Endgeschwindigkeit nochmals „nachkontrolliert” wird, bevor die Ionen in das eigentliche Experiment eintreten. Grundsätzlich ist es aber ebenso denkbar, dass die Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 beispielsweise in einem Bereich zwischen einem Linearbeschleuniger und einem Synchrotron oder zwischen einem Synchrotron und einem Speicherring angeordnet wird. Ebenso ist es auch möglich, dass die Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 innerhalb eines Synchrotrons bzw. innerhalb eines Speicherrings vorgesehen wird.
• Die Ansteuerung der unterschiedlichen Komponenten der Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 erfolgt durch eine Steuerelektronik 31, welche in 1 schematisch dargestellt wird. Selbstverständlich kann auch eine Datenausgabeleistung an die Steuerungskomponenten eines Experiments und/oder des Teilchenbeschleunigers ausgegeben werden. Auch eine Anzeige des gemessenen Werts bzw. der gemessenen Werte (Werteverteilung) kann erfolgen.
• Die Länge 6 der Elektronenerzeugungsstrecke 3 weist vorliegend eine Länge von etlichen Metern auf. Vorliegend wird die Länge 6 der Elektronenerzeugungsstrecke 3 durch einen Dipolmagneten 8 (nur teilweise dargestellt) begrenzt, der den Ionenstrahl ablenkt. Da das Ladungs- zu Massenverhältnis zwischen Elektronen und Ionen deutlich unterschiedlich ist (mehrere Zehnerpotenzen), wirkt das Magnetfeld des Dipolmagneten 8 deutlich unterschiedlich auf Elektronen und auf Ionen ein. Dementsprechend werden CUSP-Elektronen (siehe auch folgende Beschreibung), die in bzw. vor dem Dipolmagneten 8 erzeugt werden, durch das Magnetfeld des Dipolmagneten 8 an die Wand des Teilchenstrahlrohrs 7 gelenkt und gehen demzufolge „verloren”.
• Obwohl das Teilchenstrahlrohr 7 evakuiert ist (beim dargestellten Ausführungsbeispiel kurz vor dem eigentlichen Experiment liegt der Restdruck typischerweise im Bereich von 10^–5 Pa bis 10^–6 Pa), ist im Teilchenstrahlrohr 7 nach wie vor Restgas vorhanden. Das Restgas ist dabei ein Gemisch aus unterschiedlichen Gasen (welche zum Teil atomar, wie beispielsweise Helium und Argon, zum Teil auch molekular, wie zum Beispiel Sauerstoff und Stickstoff vorliegen). Dementsprechend kommt es zwischen den Teilchen (Ionen), aus denen der Ionenstrahl 9, welcher durch das Teilchenstrahlrohr 7 hindurchfliegt, besteht, und den Atomen/Molekülen des Restgases mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu Stößen. Bei diesen Stößen kommt es in der Regel zu einer Interaktion der Elektronenhülle der Restgasatome/Restgasmoleküle mit den Ionen des Ionenstrahls 9, was zur Erzeugung von freien, sogenannten CUSP-Elektronen 10 führt. In 1 sind exemplarisch drei CUSP-Elektronen 10 eingezeichnet, wobei die dargestellten CUSP-Elektronen 10 eine Flugbahn 11 aufweisen, welche im Bereich der Elektronenerzeugungsstrecke 3 parallel zum Ionenstrahl 9 verläuft. Erst im Bereich des Elektronenseparationsteils 2 werden diese vom Ionenstrahl 9 „abgetrennt”. Der Vollständigkeit halber sollte erwähnt werden, dass auch Elektronen 10 erzeugt werden, die eine andere Flugrichtung als parallel zum Ionenstrahl 9 aufweisen, entstehen. Diese werden jedoch von der Wand des Teilchenstrahlrohrs 7, spätestens jedoch von den Blenden 12 im Elektronenseparationsteil 2 eingefangen, sodass diese nicht bis zum Elektronenmessgerät 5 vordringen (im Folgenden noch näher erläutert).
• Weiterhin sollte der Vollständigkeit halber erwähnt werden, dass vorliegend der Ionenstrahl 9 – wie dies bei vielen Hochfrequenzbeschleunigertypen oft der Fall ist – kein kontinuierlicher Ionenstrahl 9 ist, sondern aus einer Vielzahl von voneinander separierten, wohlgeordneten Teilchenpaketen (so genannten Teilchenbunches) besteht.
• Am Anfang des Elektronenseparationsteils 2 zweigt vom durchgehenden Teilchenstrahlrohr 7 eine vorliegend halbkreisförmig (in Draufsicht von oben gesehen; damit ist nicht der Querschnitt der Ablenkkammer 13 gemeint) ausgebildete Ablenkkammer 13 („Ablenkrohr”) ab (an der Abzweigung 15). Da 1 eine Draufsicht von oben darstellt, verläuft die Ablenkkammer 13 im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel in einer parallel zum Erdboden liegenden Ebene und ist im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel als evakuierte Edelstahlkammer mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet (wobei der Querschnitt auch ohne weiteres von einer rechteckigen Form abweichen kann).
• Innerhalb der Ablenkkammer 13 sind darüber hinaus noch mehrere Blenden 12 angeordnet, welche eine Selektion der durch die Ablenkkammer 13 fliegenden Elektronen 10 bewirken. Da eine Mehrzahl von Blenden 12 vorgesehen ist, werden gezielt nur solche Elektronen 10 hindurchgelassen, welche eine geeignete Geschwindigkeit aufweisen und welche sich darüber hinaus ursprünglich (also innerhalb der Elektronenerzeugungsstrecke 3) parallel zur Richtung des Ionenstrahls 9 bewegt haben. Die geeignete Energie, bei der die Elektronen die Blendenanordnung 12 der Ablenkkammer 13 durchdringen, hängt dabei von einem Magnetfeld ab, welches im Bereich der Ablenkkammer 13 durch eine Spulenanordnung 14 erzeugt wird. Dabei handelt es sich um ein Paar aus Spulen, wobei die einzelnen Spulen jeweils horizontal liegend und übereinander (oberhalb und unterhalb der Ablenkkammer 13) angeordnet sind. Durch eine Variation des die Spulenanordnung 14 durchfließenden elektrischen Stroms kann das Magnetfeld variiert werden, wodurch es möglich wird, dass, in Abhängigkeit vom angelegten Strom, Elektronen 10 mit unterschiedlicher Energie vom Elektronenmessgerät 5 registriert werden.
• Beim Elektronenmessgerät 5 handelt es sich im vorliegenden Fall um ein Channeltron. Hierbei handelt es sich um einen Elektronendetektor, bei dem ein einzelnes, einfallendes Elektron eine Lawine von Sekundärelektronen erzeugt. Der dadurch entstehende „Schwall” an Elektronen kann anschließend von einer Elektronik 31 gut verstärkt und weiterverarbeitet werden. Die Energievariation der auf das Elektronenmessgerät 5 treffenden Elektronen 10 – und damit die Energieauflösung der Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 – erfolgt vorliegend über eine Variation des Magnetfelds der Spulenanordnung 14 (Channeltrons messen im Wesentlichen nicht-energieselektiv).
• Aufgrund des stark unterschiedlichen Ladungs- zu Massenverhältnisses der Elektronen 10 und der Ionen (die Ionen weisen vorliegend eine Energie im Bereich von 5 MeV pro Nukleon auf) wird der Ionenstrahl 9 durch das Magnetfeld der Spulenanordnung 14 nur geringfügig beeinflusst (obwohl die Elektronen 10 vergleichsweise stark abgelenkt werden; der Radius der Kreislinie, dem die Ablenkkammer 13 folgt, beträgt vorliegend etwa 0,5 m). Insbesondere ist die Ablenkungswirkung auf den Ionenstrahl 9 derart gering, dass der Ionenstrahl 9 unmittelbar vor dem eigentlichen Experiment nicht mehr nachkorrigiert werden muss. Sollte anschließend noch eine längere Wegstrecke folgen, so ist es selbstverständlich möglich, dass eine Nachkorrektur des Ionenstrahls 9 erfolgt. Dies kann insbesondere auch durch ohnehin vorzusehende Ablenkmagnete und/oder Fokussiermagnete erfolgen, bei denen dann der entsprechende Erregungsstrom geringfügig abgeändert wird.
• Um die CUSP-Elektronen 10 im Bereich vor der eigentlichen „Abzweigung” 15 des Elektronenseparationsteils 2 nicht (negativ) zu beeinflussen, ist weiterhin im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel ein Abschirmblech 16 aus magnetrestriktivem Metall um das Teilchenstrahlrohr 7 herum angeordnet. Dadurch wird der betreffende Bereich des Teilchenstrahlrohrs 7 von magnetischen Streufeldern der Spulenanordnung 14 geschützt.
• In 1 ist schließlich noch die bereits erwähnte Referenzelektroneneintragseinheit 4 dargestellt. Diese weist eine Elektronenkanone 17 auf. Die Elektronenkanone 17 ist beispielsweise aus einer Elektronenemissionskathode und einem Beschleunigungselektrodenpaar, an das eine Hochspannung angelegt ist, aufgebaut. Mit der Elektronenkanone 17 können Referenzelektronen (Flugbahn 18 ist angedeutet) mit einer (genau) bekannten Energie erzeugt werden. Mithilfe eines Magnetfelds, welches durch einen Elektromagneten 19 erzeugt wird, kann die Flugbahn 18 der Referenzelektronen so abgelenkt werden, dass diese am „Ende” des Elektromagneten 19 parallel zur Flugbahn des Ionenstrahls 9 verlaufen. Die Referenzelektronen 18 sind somit für den Elektronenseparationsteil 2 nicht von CUSP-Elektronen unterscheidbar. Die Referenzelektronen dienen der Kalibrierung der Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1. Dementsprechend wird die Elektronenkanone 17 (und dementsprechend auch der Elektromagnet 19) nur zu einigen wenigen ausgewählten Zeitpunkten kurzzeitig eingeschaltet. Während des Kalibrationsschritts wird das Magnetfeld der Spulenanordnung 14 solange durchgestimmt, bis am Elektronenmessgerät 5 ein Maximum gemessen wird. Da die Energie der Referenzelektronen bekannt ist, kann dem Maximal-Peak die entsprechende Energie zugeordnet werden, sodass die Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 kalibriert ist. Für eine initiale Kalibrierung der Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 ist es möglich, dass die Elektronenkanone 17 mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt wird und mehrere Kalibrationspunkte für die Kalibrierung der Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 genutzt werden. Ist die Anlage einmal aufgebaut, so ist für eine „Nachkalibrierung”, die beispielsweise einmal, zweimal, dreimal oder viermal täglich erfolgt, in aller Regel eine einzige Referenzelektronenenergie ausreichend.
• Der Vollständigkeit halber sollte noch auf zwei Dinge hingewiesen werden. Wenn die Elektronenkanone 17 (einschließlich des Elektromagneten 19) zur Kalibrierung der Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 eingeschaltet ist, werden im Bereich des Teilchenstrahlrohrs 7, der zwischen Elektromagnet 19 und Abzweigung 15 liegt, nach wie vor CUSP-Elektronen 10 am Restgas erzeugt (sofern der Ionenstrahl 9 eingeschaltet ist). Die Menge an CUSP-Elektronen 10 ist jedoch im Verhältnis zur Anzahl an Elektronen, die durch die Elektronenkanone 17 erzeugt werden, derart gering, dass diese im Mess-Hintergrund „untergehen”. CUSP-Elektronen, die strahlaufwärts des Elektromagneten 19 erzeugt werden, werden durch das Magnetfeld des Elektromagneten 19 der Referenzelektroneneintragseinrichtung 4 abgelenkt und prallen typischerweise auf die Wand des Teilchenstrahlrohrs 7 auf.
• In 2 sind zwei typische Messergebnisse, die mit der Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1 aus 1 gewonnen wurden, dargestellt. In 2a ist eine erste Messkurve 20 zu erkennen, bei der die Teilchenenergie der Ionen des Ionenstrahls 9 im Wesentlichen einer Gaußkurve folgt. Bei der dargestellten Messkurve 20 ist längs der Abszisse 21 die Stromstärke, mit der die Spulenanordnung 14 beaufschlagt ist, dargestellt. Diese korreliert mit der CUSP-Elektronenenergie und diese wiederum mit der Energie der Ionen des Ionenstrahls 9. Längs der Ordinate 22 ist die Signalintensität am Elektronenmessgerät 5 dargestellt. Die Messkurve 20 ist mit einer vergleichsweise großen Breite (Variation der Stromstärke in der Spulenanordnung 14) dargestellt. Wenn bei im Wesentlichen bekannter Kurvengeometrie 20 lediglich die Lage des Peaks (mittlere Energie) ermittelt werden soll, so kann das Messintervall deutlich schmaler gewählt werden. Dies verkürzt die Messzeit. Die dargestellte Messkurve 20 gemäß 2 wurde in fünfzehn Minuten aufgenommen. Die Kurve 20 geht natürlich über die Endlinien 23 hinaus weiter. Hier wurde jedoch die Messung jeweils abgebrochen, da hier kein besonderer Informationsgewinn zu erwarten ist.
• Wie man einer weiteren Messkurve 24 (siehe 2b) entnehmen kann, muss die Energieverteilung der Ionen im Ionenstrahl 9 nicht unbedingt einer Gaußkurve folgen. Im folgenden Beispiel wurde eine Kurve mit einem „Flattop” (also einem abgeflachten Spitzenbereich) gemessen.
• In 3 ist schließlich noch schematisch ein mögliches Messverfahren 25 in Form eines Flussdiagramms dargestellt (insbesondere – aber nicht ausschließlich – für die Verwendung im Zusammenhang mit einer Ionengeschwindigkeitsmessanordnung 1, so wie sie in 1 dargestellt ist).
• Ganz am Anfang wird in einem Kalibrierungsschritt 26 die Elektronenkanone 17 eingeschaltet und die Messanordnung 1 kalibriert. Nach dem Ende des Kalibrierungsschritts 26 wird der normale Betrieb der Messanordnung 1 aufgenommen. Hierzu durchfährt die Steuerelektronik 31 das Messintervall (Verfahrensschritt 27). Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Stromstärke durch die Spulenanordnung 14 hindurch variiert wird und in Abhängigkeit von der Stromstärke die jeweilige Zählrate am Elektronenmessgerät 5 registriert wird. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass anstelle des nicht-energieauflösenden Elektronenmessgeräts 5 ein energieauflösendes Elektronenmessgerät verwendet wird und hierdurch (zumindest zum Teil) die Energieverteilung „direkt” gemessen wird.
• Nach dem derartigen Durchfahren des Messintervalls wird basierend auf der gemessenen Elektronenenergie-Verteilung die Energieverteilung der Ionen im Ionenstrahl 9 berechnet und ausgegeben 28.
• Die kombinierte Zeitdauer für ein einmaliges Durchlaufen der Verfahrensschritte 27 und 28 liegt typischerweise im Bereich von zehn bis dreißig Minuten.
• Nachdem der erste Messwert vorliegt, wird gegebenenfalls der Teilchenbeschleuniger nachgesteuert (Verfahrensschritt 29). Ist eine Nachkorrektur nicht erforderlich, so erfolgt eine „Nullkorrektur”. Danach springt das Verfahren zurück 30 zum Verfahrensschritt 27, wo erneut eine Energieverteilung aufgenommen wird.
• Bezugszeichenliste

1

Ionengeschwindigkeitsmessanordnung

2

Elektronenseparationsteil

3

Elektronenerzeugungsstrecke

4

Referenzelektroneneintragseinheit

5

Elektronenmessgerät

6

Länge

7

Teilchenstrahlrohr

8

Dipolmagnet

9

Ionenstrahl

10

CUSP-Elektronen

11

Elektronenflugbahn

12

Blende

13

Ablenkkammer

14

Spulenanordnung

15

Abzweigung

16

Abschirmblech

17

Elektronenkanone

18

Referenzelektronenbahn

19

Elektromagnet

20

Messkurve

21

Abszisse

22

Ordinate

23

Endlinie

24

Messkurve

25

Messverfahren

26

Kalibrierschritt

Claims (11)

1. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1), aufweisend eine Hadronen-Transporteinrichtung (7) sowie eine Elektronen-Messvorrichtung (2) mit einer Elektronen-Separationseinrichtung (13, 14, 15) zur Separation von Elektronen (10, 11), die sich parallel zur Transportrichtung der Hadronen (9) in der Hadronen-Transporteinrichtung (7) bewegen, sowie einer Elektronen-Nachweisvorrichtung (5), wobei die Elektronen-Messvorrichtung (2) als Elektronenenergie-Messvorrichtung ausgebildet ist und wobei die Elektronen-Freisetzung in der Hadronen-Transporteinrichtung (7) durch Interaktion der durch die Hadronen-Transporteinrichtung (7) transportierten Hadronen (9) mit Restgasatomen mit Drücken ≤ 10^–1 Pa erfolgt.
2. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen-Separationseinrichtung (13, 14, 15) zumindest bereichsweise als Magnetfelderzeugungsvorrichtung (14), bevorzugt als variable Magnetfelderzeugungsvorrichtung (14) ausgebildet ist.
3. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest bereichsweise als Vakuumeinrichtung ausgebildet ist, insbesondere dadurch, dass die Hadronen-Transporteinrichtung (7), die Elektronen-Separationseinrichtung (14, 15) und/oder die Elektronen-Nachweiseinrichtung (5) zumindest bereichsweise als Vakuumeinrichtung ausgebildet sind.
4. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemessung der in der Hadronen-Transporteinrichtung (7) erzeugten und/oder in der Elektronen-Nachweisvorrichtung (5) gemessenen Elektronen (10, 11) durch eine Elektronen-Teilchenselektion (12) in der Elektronen-Separationseinrichtung (13, 14, 15) und/oder durch eine energieselektive Elektronen-Nachweisvorrichtung (5) gemessen wird.
5. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen-Separationseinrichtung (13, 14, 15) zumindest bereichsweise als gekrümmte Elektronen-Transporteinrichtung (13) ausgebildet ist.
6. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen-Nachweisvorrichtung (5) als verstärkende Elektronen-Nachweisvorrichtung (5) ausgebildet ist.
7. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Elektronenerzeugungs- (17) und/oder Elektroneninjektionsvorrichtung (18, 19).
8. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hadronen-Transporteinrichtung (7) als Teil einer Hadronen-Teilchenbeschleunigereinrichtung ausgebildet ist.
9. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie eine Elektronenenergie-Verteilung (20, 24) zu messen vermag.
10. Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Steuerungseinrichtung (31), welche zumindest Teile der Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) automatisiert ansteuert.
11. Verfahren (25) zum Messen der Geschwindigkeit von Hadronen (9) in einer Hadronen-Transporteinrichtung (7) mit einer Hadronen-Geschwindigkeitsmessvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Energie von Elektronen (10, 11) gemessen wird, die durch Interaktion der Hadronen (9) mit Restgasatomen mit Drücken ≤ 10^–1 Pa in der Hadronen-Transporteinrichtung (9) in Flugrichtung der Hadronen (9) erzeugt werden.

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