DE102022112591B3

DE102022112591B3 - Verfahren zur Abbildung eines oder mehrerer Strahlprofile eines Teilchenstrahls

Info

Publication number: DE102022112591B3
Application number: DE102022112591.2A
Authority: DE
Inventors: Ji-Gwang Hwang; Gregor Schiwietz
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2022-05-19
Filing date: 2022-05-19
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2042-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abbildung eines oder mehrerer Strahlprofile (1) eines Teilchenstrahls (20), der mit einer Synchrotronumlauffrequenz frevumläuft, wobei Synchrotronstrahlung (2) von dem Teilchenstrahl (20) abgestrahlt und auf eine Photokathode (4) übertragen wird, so dass sich die von der Synchrotronstrahlung (2) erzeugten und auf die Photokathode (4) auftreffenden Photoelektronen (5), die das Strahlprofil (1) repräsentieren, von der Photokathode (4) zu einem ortsauflösenden Elektronendetektor (6), wie einem Array-Detektor, ausbreiten, wobei die Photoelektronen (5) entlang einer ersten Richtung gemäß einer ersten Spannung abgelenkt werden, die zwischen einem ersten Paar von Elektroden (11) angelegt wird, die zwischen der Photokathode (4) und dem Elektronendetektor (6) angeordnet sind, wobei die erste Spannung durch eine Steuereinheit (7) in Korrelation mit der Umlauffrequenz des Teilchenstrahls (20) gesteuert wird, so dass Photoelektronen (5), die das Strahlprofil (1) oder die Strahlprofile, die einer oder mehreren Umläufen des Teilchenstrahls (20) entsprechen, repräsentieren, auf einen oder mehrere Bereiche (8) des Elektronendetektors (6) projiziert werden, die von der Steuereinheit (7) gesteuert werden, so dass die Projektionen auf den einen oder die mehreren Bereiche (8) eine zeitliche Entwicklung des Strahlprofils (1) repräsentieren.

Description

Moderne Teilchenbeschleuniger stellen aufgrund ihrer typischen Umlauffrequenzen im MHz-Bereich hohe Anforderungen an ihre Strahldiagnosegeräte. Insbesondere das transversale Strahlprofil der im Teilchenbeschleuniger zirkulierenden Strahlen, d.h. die Querverteilung von z.B. Elektronen im Strahl senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, ist von großer Bedeutung, da es einen Schlüsselparameter z.B. bei Colliding-Beam-Experimenten, Beugungsexperimenten sowie bei der Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in einem breiten Spektralbereich vom Infrarot bis zur Röntgenstrahlung mit Anwendungen z.B. in den Lebens- oder Materialwissenschaften darstellt. Aufgrund der Komplexität von Teilchenbeschleunigern und ihrer Magnete, Elektronik und Vakuumsysteme wird der Strahl vorzugsweise bei jedem Umlauf um den Teilchenbeschleuniger überwacht und gesteuert, so dass Abweichungen von einem idealen Strahlprofil erkannt und bei Bedarf korrigiert werden können.
Zu diesem Zweck werden im Stand der Technik elektro-optische Effekte, wie der Pockels-Effekt, genutzt, um Informationen über das Strahlprofil zu gewinnen. Patil et al. [1] haben beispielsweise einen Ytterbium-dotierten Faserlaser verwendet, der fs-Laserpulse mit einer Wellenlänge von 1050 nm und einer Wiederholrate von 2,7 MHz erzeugt, die der Umlauffrequenz eines in einem Teilchenbeschleuniger zirkulierenden Teilchenstrahls entspricht. Die Laserpulse werden zu einem Galliumphosphid (GaP)-Kristall im Inneren des Strahlrohrs und zurück zu einer Experimentierstation gesendet, wo sie mit einem Detektorsystem erfasst werden. Im GaP- Kristall führt das elektrische Feld des geladenen Teilchenstrahls zu einer Änderung der Doppelbrechung, die proportional zu seiner elektrischen Feldstärke ist. Die Doppelbrechung induziert dadurch eine Drehung der Polarisation des Laserpulses. Mit einem gechirpten Laserpuls wird die zeitabhängige longitudinale Elektronendichte eines Elektronenbündels im Strahl als wellenlängenabhängige Polarisationsmodulation abgebildet. Mit Wellenplatten und einem Polarisator kann die Modulation des Laserspektrums in eine Intensitätsmodulation umgewandelt und mit einem optischen Spektrometer gemessen werden. Auf diese Weise lassen sich für jeden Umlauf des Strahls im Teilchenbeschleuniger Informationen über das Strahlprofil in Form eines longitudinalen Strahlprofils extrahieren, das eine Projektion des Phasenraums auf eine Zeitachse darstellt. Die Beobachtung des longitudinalen Strahlprofils für mehrere Umläufe liefert somit Informationen über die zeitliche Entwicklung des Strahls. Diese Projektion erlaubt jedoch nicht die Charakterisierung des zweidimensionalen Strahlprofils, das einzelnen Umläufen entspricht.
Fisher et al. [2] schlagen eine Diagnostik für Synchrotronstrahlung vor, die die Eigenschaften einer zweiachsigen Streak-Kamera nutzt, um die Entwicklung des Querprofils eines Teilchenstrahls für aufeinanderfolgende Umläufe anhand von zwei Projektionen eines zweidimensionalen Strahlprofils zu überwachen. Das Querprofil des Strahls wird mit Hilfe von Zylinderlinsen so umgeformt, dass eine hohe, schmale Ellipse entsteht, die einer Projektion der vollen Ellipse auf eine Querachse entspricht. Diese Projektion wird zweimal durchgeführt, indem der Strahl in zwei Pfade mit unterschiedlicher Höhe aufgeteilt und eine Ellipse um 90° gedreht wird, bevor sie neu geformt wird. Diese Projektionen werden auf einen sich schnell drehenden Spiegel in der Nähe einer Photokathode einer synchron getakteten Kamera gelenkt. Der Spiegel tastet die vertikalen Lichtstreifen horizontal auf der Kamera ab, die bei jedem Umlauf für Nanosekunden angesteuert wird, um typischerweise 100 Bilder von jeder Projektion zu erzeugen. Diese erscheinen nebeneinander und bilden für jede Projektion einen entsprechenden Streifen quer über die Kamera. Alle diese Bilder werden auf einer einzigen Kameraauslesung erfasst, die einem Stroboskopfoto eines sich bewegenden Objekts ähnelt, das Änderungen der Schwerpunktposition oder der Strahlgröße hervorhebt. Mit diesem Ansatz lassen sich Informationen über das Strahlprofil durch eine Schätzung des zweidimensionalen Profils auf der Grundlage von zwei Projektionen extrahieren, die einem einzelnen oder mehreren Umläufen entsprechen. Das vollständige zweidimensionale Strahlprofil kann damit jedoch nicht aufgelöst werden.
Von daher ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Abbildung eines oder mehrerer Strahlprofile eines Teilchenstrahls bereitzustellen, mit dem einzelne Strahlprofile pro Umlauf aufgelöst werden können.
Dies wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abbildung eines oder mehrerer Strahlprofile eines Teilchenstrahls. Es wird davon ausgegangen, dass die beschleunigten Teilchen im Teilchenstrahl mit einer Umlauffrequenz f_rev umlaufen. Der Teilchenstrahl, insbesondere der Elektronen- oder Positronenstrahl in einem Synchrotron, emittiert Synchrotronstrahlung, welche das Strahlprofil des Teilchenstrahls repräsentiert, und welche auf eine Photokathode einfällt, so dass sich die von der Synchrotronstrahlung erzeugten Photoelektronen, von der Photokathode zu einem ortsauflösenden Elektronendetektor ausbreiten. Die Photoelektronen werden dabei entlang einer ersten Richtung entsprechend einer ersten Spannung abgelenkt, die zwischen einem ersten Paar von Elektroden angelegt wird, die zwischen der Photokathode und dem Elektronendetektor angeordnet sind, wobei die erste Spannung von einer Steuereinheit in Korrelation von der Umlauffrequenz des Teilchenstrahls variiert wird, so dass Photoelektronen, die das Strahlprofil oder die Strahlprofile repräsentieren, die einem oder mehreren Umläufen des Teilchenstrahls entsprechen, auf jeweils einen oder mehrere Bereiche des Elektronendetektors projiziert werden. Der eine oder die mehreren Bereiche dienen dazu, die zeitliche Entwicklung des Strahlprofils widerzugeben.
Der Begriff „Strahlprofil“ bezieht sich insbesondere auf eine zweidimensionale elektromagnetische Feldverteilung elektromagnetischer Strahlung im Falle eines Photonenstrahls oder auf eine zweidimensionale räumliche Verteilung von geladenen Teilchen innerhalb eines Teilchenstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Strahls. Der Teilchenstrahl kann z. B. aus Elektronen, Positronen, Protonen oder Myonen bestehen. Unter „einem Strahlprofil“ im Sinne der Erfindung ist das Strahlprofil zu verstehen, das von dem Elektronendetektor pro Umlauf des Teilchenstrahls generiert wird.
Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafterweise die zeitliche Auflösung von Strahlprofilen, die mit Frequenzen im MHz-Bereich auftreten, indem die Strahlprofile als Projektionen von Photoelektronen räumlich voneinander getrennt werden. Die Erfindung erfordert daher keine kostenintensiven Kameras mit schneller Steuerung, da die Photoelektronen mit einem ortsauflösenden Elektronendetektor nachgewiesen werden.
Die Beschleunigung von geladenen Teilchen zur Schaffung oder Aufrechterhaltung eines Teilchenstrahls kann dabei eine radiale Beschleunigungskomponente in Richtung eines Zentrums eines ringförmigen Teilchenbeschleunigers umfassen, so dass die emittierte Synchrotronstrahlung tangential entlang der Ausbreitungsrichtung der Teilchen auskoppelbar ist. Bei einem Teilchenstrahl, der aus z.B. Elektronenpaketen gebildet ist, und eine konstante Umlauffrequenz aufweist, führt dies an einer bestimmten Position an dem Teilchenbeschleuniger zu einer Reihe von Strahlpulsen mit der Umlauffrequenz der Elektronenpakete. Die Beschleunigung kann jedoch auch eine longitudinale Beschleunigungskomponente umfassen, z. B. bei im Wesentlichen nichtrelativistischen geladenen Teilchen, wobei diese Beschleunigung die Umlauffrequenz und damit die Pulsfrequenz erhöht oder verringert.
Wenn mehr als ein Strahlprofil desselben Strahls zu unterschiedlichen Zeiten abgebildet wird, können Photoelektronen, die die entsprechenden individuellen Strahlprofile repräsentieren, auf einen und denselben Bereich oder mehrere Bereiche des Elektronendetektors projiziert werden.
Werden mehrere Strahlprofile auf ein und denselben Bereich des Elektronendetektors projiziert, so stellt das aus den Projektionen resultierende Abbild einen Durchschnitt des Strahlprofils über mehrere ganzzahlige Umläufe des Teilchenstrahls dar.
Es können aber auch mehrere aufeinanderfolgende Strahlprofile auf eine Vielzahl von Bereichen des Elektronendetektors projiziert werden. Insbesondere können einzelne Strahlprofile auf jeweils unterschiedliche Bereiche projiziert werden. Dies ermöglicht vorteilhaft die Abbildung einer zeitlichen Entwicklung des Strahlprofils durch den Elektronendetektor, wobei jede Projektion dem Strahlprofil eines bestimmten Umlaufs entspricht.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden im Folgenden beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranlasst die Steuereinheit das erste Elektrodenpaar, die erste Spannung mit einer ersten Frequenz f₁ zu steuern bzw. zu modulieren, welche synchron zur Umlauffrequenz f_rev erfolgt, f₁ = f_rev.
Insbesondere, wenn sich die Umlauffrequenz zeitlich ändert, wird in dieser Ausführungsform die erste Frequenz entsprechend der Änderung der Umlauffrequenz angepasst. Die Synchronisation bzw. Korrelation kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Strahlpulse und ihre Abstände kontinuierlich, z. B. bei jedem Umlauf des Teilchenstrahls, überwacht werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die erste Frequenz f₁ niedriger als die Umlauffrequenz, f₁ < f_rev, wobei dies insbesondere einer Beziehung f₁ = f_rev/N entspricht, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist.
Dementsprechend ist in dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung die Korrelation zwischen der ersten Spannung und der Umlauffrequenz so, dass die erste Spannung mit einer ersten Frequenz f₁ angelegt wird, die niedriger ist als die Umlauffrequenz, f₁ < f_rev, insbesondere f₁ = f_rev/N, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist.
Die Wahl einer ersten Frequenz, die f₁ = f_rev/N entspricht, erlaubt es die räumliche Projektion der Photoelektronen, welche durch das, im Vergleich zum umlaufenden Teilchenstrahl langsam variierende elektrische Feld, das durch die ersten Elektroden verursacht wird, so zu strecken, dass N*1/2 aufeinanderfolgende Umläufe bei einer ersten Spannung, die um einen mittleren Wert oszilliert, nebeneinander auf dem Elektronendetektor erfolgt. Der Faktor ½ ergibt sich aus der Tatsache, dass die Projektionen der zweiten Hälfte einer Periode der Steuerspannung auf dieselben Bereiche projiziert werden wie die Projektionen der ersten Hälfte einer Periode der Steuerspannung aufgrund der, durch die Oszillation der Spannung um einen mittleren Wert, jeweils gleichen Spannungen.
Die auf den Elektronendetektor auftreffenden Photoelektronen, die aufeinanderfolgenden Umläufen des Teilchenstrahls entsprechen, können so räumlich getrennt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die erste Spannung in zeitlicher Abhängigkeit moduliert. Insbesondere kann die erste Spannung als eine Funktion der Zeit moduliert werden, wobei die Funktion eine Sägezahnfunktion ist. Die Verwendung einer Sägezahnmodulation hat den Vorteil, dass aufgrund konstanter Steigung der ersten Spannung als Funktion der Zeit, in entsprechenden Bereichen des Sägezahnprofils, ein äquidistanter Abstand zwischen benachbarten Strahlprofilen auf dem Elektronendetektor besteht. Ein Sägezahnprofil weist jedoch auch immer Bereiche auf, in denen sich das Vorzeichen der Steigung ändert. Die zeitliche Entwicklung des Strahlprofils lässt sich daher leicht verfolgen, indem man eine Reihe von benachbarten Strahlprofilen betrachtet. Insbesondere kann die Sägezahnmodulation mit der ersten Frequenz f₁ = f_rev/N angewendet werden, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist.
Insbesondere kann die erste Spannung mit dem umlaufenden Teilchenstrahl phasenstarr sein, z.B. so, dass Maxima und Minima der ersten Spannung genau in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Strahlpulsen auftreten. Alternativ können die Maxima und Minima der ersten Spannung mit dem umlaufenden Teilchenstrahl phasenstarr sein, so dass die Maxima und Minima der ersten Spannung mit den Strahlpulsen zusammenfallen.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die erste Spannung als eine Funktion der Zeit moduliert, wobei die Funktion eine Stufenfunktion ist, so dass Strahlprofile, die ganzzahligen Mehrfachumläufen des Teilchenstrahls entsprechen, jeweils auf denselben Bereich des Elektronendetektors projiziert werden. Die Modulation der ersten Spannung mit einer Stufenfunktion stellt somit eine Methode dar, um gemittelte Strahlprofile zu erhalten, die einer ersten vordefinierten Anzahl von Umläufen des Teilchenstrahls entsprechen, indem die erste Spannung, während der jeweiligen Umläufe auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Sobald die erste vordefinierte Anzahl von Umläufen durch eine Projektion der entsprechenden Strahlprofile auf einen ersten Bereich des Elektronendetektors erreicht ist, kann die Steuereinheit das erste Elektrodenpaar veranlassen, die erste Spannung zu ändern und sie für eine zweite vordefinierte Anzahl von Umläufen konstant zu halten, deren Mittelwert auf einen zweiten Bereich des Elektronendetektors projiziert wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Photoelektronen ferner entlang einer zweiten Richtung entsprechend einer zweiten Spannung abgelenkt, die zwischen einem zweiten Paar von Elektroden angelegt wird, die zwischen der Photokathode und dem Elektronendetektor angeordnet sind, wobei die zweite Spannung ebenfalls von der Steuereinheit gesteuert wird. Die Ablenkung der Photoelektronen entlang der zweiten Richtung ermöglicht insbesondere eine Projektion mehrerer Strahlprofile entlang der zweiten Richtung auf den Elektronendetektor, so dass die projizierten Strahlprofile in einem zweidimensionalen Array erfasst werden können. Die Projektionen der Strahlprofile können von dem Elektronendetektor aufgenommen werden, wobei das Array einem Pixelarray des Elektronendetektors entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Richtung orthogonal zur ersten Richtung ausgerichtet, und zwar insbesondere so, dass eine Ebene, die die erste und die zweite Richtung umfasst, orthogonal zu einer Ausbreitungsrichtung der Photoelektronen von der Photokathode ausgerichtet ist. In dieser Ausführungsform werden die resultierenden Strahlprofile in einem Array auf dem Elektronendetektor angeordnet, wobei das Array insbesondere Zeilen und Spalten oder ein anderes regelmäßiges Muster umfassen kann, das es erlaubt, die angeordneten Strahlprofile mit einer Zeitdifferenz zwischen den Aufnahmen in Beziehung zu setzen. Dies ist vorteilhaft durch eine so erreichbare kompakte Darstellung der Strahlprofile, wobei die erste und die zweite Spannung niedriger gehalten werden kann als im Falle eines einzelnen Elektrodenpaares für eine gegebene Anzahl von projizierten Strahlprofilen.
In einer Ausführungsform der Erfindung steuert die Steuereinheit das zweite Elektrodenpaar zum Anlegen der zweiten Spannung mit einer zweiten Frequenz f₂ proportional zur ersten Frequenz f₁, f₂ ∝ f₁. Da erfindungsgemäß die erste Spannung in Korrelation mit der Umlauffrequenz angelegt wird, kann die zweite Spannung ebenfalls in Korrelation mit der Umlauffrequenz angelegt werden.
Die zweite Frequenz f₂ kann niedriger sein als die erste Frequenz, f₂ < f₁, insbesondere f₂ = f₁/M, wobei M eine positive ganze Zahl größer als eins ist. Dadurch, dass die zweite Frequenz niedriger als die erste Frequenz gehalten wird, wird sichergestellt, dass die räumliche Ablenkung der Photoelektronen entlang der ersten Richtung für eine vordefinierte Anzahl von Umläufen des Strahls, insbesondere N Umläufen mit f₁ = f_rev/N, durchgeführt wird, bevor die Photoelektronen zusätzlich entlang der zweiten Richtung abgelenkt werden, so dass Bereiche des Elektronendetektors belichtet werden können, die zuvor nicht von Photoelektronen belichtet wurden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die zweite Spannung als Funktion der Zeit moduliert, wobei die Funktion eine Schrittfunktion mit einer oder mehreren Spannungsstufen ist. Insbesondere die Modulation der zweiten Spannung mit einer Schrittfunktion mit konstanter Schrittweite führt vorteilhaft zu einem äquidistanten Abstand der Strahlprofile entlang der zweiten Richtung auf dem Elektronendetektor, so dass die Strahlprofile kompakt angeordnet sind und die zeitliche Entwicklung leicht verfolgbar ist. Insbesondere können die Photoelektronen entlang der ersten Richtung abgelenkt werden, indem die erste Spannung variiert wird, während die zweite Spannung konstant gehalten wird.
Insbesondere können die erste und die zweite Frequenz phasenstarr sein, so dass, wenn die erste Spannung ein Maximum oder ein Minimum erreicht, die zweite Spannung entsprechend einer Schrittfunktion ansteigt oder abfällt, während die zweite Spannung konstant bleibt, wenn die erste Spannung zwischen dem Maximum und dem Minimum liegt.
Insbesondere dann, wenn die erste und/oder die zweite Spannung mit Schrittfunktionen in Abhängigkeit von der Zeit moduliert werden, können die jeweiligen Schrittfunktionen mehr als zwei konstante Werte annehmen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Elektronendetektor eine Mikrokanalplatte oder ist eine solche. Die Mikrokanalplatte verstärkt in vorteilhafterweise einzelne Photoelektronen, die auf die Kanäle der Mikrokanalplatte auftreffen, so dass auch geringe Signale, die einzelnen Photoelektronen entsprechen, nachgewiesen werden können. Gleichzeitig bietet die Mikrokanalplatte zweidimensionale, ortsaufgelöste Detektionsmöglichkeiten, so dass das Strahlprofil der Photoelektronen, das dem Strahlprofil der geladenen Teilchen im Teilchenbeschleuniger entspricht, ortsaufgelöst ist. Beispielsweise sind die Kanäle des Mikrokanaldetektors mit einem Abstand von einigen zehn Mikrometern in einem zweidimensionalen Array angeordnet, wobei die Kanäle insbesondere in Reihen und Spalten oder einem anderen regelmäßigen Muster angeordnet sind. Die Detektionseffizienz des Detektors liegt im Bereich von 70 % bis 90 %, insbesondere bei etwa 80 %. Die Mikrokanalplatte kann z. B. rechteckig oder quadratisch sein, mit Seitenlängen zwischen z.B. 40 mm und 70 mm, während die Anzahl der Kanäle in der Größenordnung von 106 Megapixeln liegt. Jeder Kanal kann als ein photoelektronenempfindliches Pixel des Elektronendetektors betrachtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Photoelektronen, die das eine oder die mehreren Profile des Teilchenstrahls repräsentieren, durch den Elektronendetektor, insbesondere die Mikrokanalplatte, vervielfacht und mit einem dem Elektronendetektor nachgeschalteten Bildschirm abgebildet, insbesondere wobei der Bildschirm insbesondere so ausgebildet ist, dass er in den Bereichen der auftreffenden Elektronen ein Lumineszenzsignal emittiert, und wobei die von dem Bildschirm im Lumineszenzsignal emittierten Photonen mit einer Kamera detektiert werden, und wobei der eine oder die mehreren Bereiche des Elektronendetektors auf den Bildschirm und damit auch auf der Kamera abgebildet werden. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die räumliche Information des Strahlprofils, die in der Verteilung der Photoelektronen enthalten ist, in ein optisches Signal umzuwandeln. Das Verfahren nach dieser Ausführungsform wandelt also die Photonen der Synchrotronstrahlung in Photoelektronen um, die in Korrelation mit der Umlauffrequenz abgelenkt werden, so dass die zeitliche Information zumindest teilweise in eine räumliche Information umgesetzt wird. Die Photoelektronen werden dann ortsaufgelöst detektiert und vervielfacht, z.B. durch den Elektronendetektor, wobei die ortsaufgelösten und vervielfachten Elektronen anschließend mittels des Bildschirms, der aus Verbindungen besteht, die durch die auftreffenden Elektronen angeregt werden und die als Reaktion auf auftreffende Elektronen in den Bereichen des Elektronenaufpralls optische Strahlung emittieren (Lumineszenz), wieder in ein optisches Signal übersetzt werden. Der Prozess der Rückumwandlung der Photoelektronen in Photonen im Bereich von 200 nm bis 2000 nm, insbesondere im Bereich von 350 nm bis 700 nm, ist zwar langsamer als eine Umlaufzeit, liefert aber ortsaufgelöste Informationen, die einerseits Informationen über das Strahlprofil und andererseits auch Informationen über eine Zeit oder eine Zeitdifferenz zwischen nebeneinander aufgenommenen Strahlprofilen auf dem Bildschirm umfassen.
Insbesondere kann die Kamera ein Bildschirm sein, so dass keine weiteren abbildenden Optiken erforderlich sind.
Eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung bezieht sich auf ein System zur Abbildung eines oder mehrerer Strahlprofile eines Teilchenstrahls, wobei das System mindestens umfasst:

-eine Photokathode
-ein erstes Paar von Elektroden
-eine Steuereinheit und
-einen ortsauflösenden Elektronendetektor,

Die Steuereinheit ist dafür so konfiguriert, dass sie eine erste Spannung an das erste Elektrodenpaar in Korrelation mit einer Umlauffrequenz des Teilchenstrahls anlegt, so dass, wenn Synchrotronstrahlung, die das Strahlprofil repräsentiert, von dem Teilchenstrahl abgestrahlt wird und auf die Photokathode auftrifft, , Photoelektronen erzeugt werden und diese sich in Richtung des ortsauflösenden Elektronendetektors ausbreiten, wobei die Photoelektronen entlang einer ersten Richtung gemäß einer ersten Spannung abgelenkt werden, die zwischen dem ersten Paar von Elektroden angelegt wird, die zwischen der Photokathode und dem Elektronendetektor angeordnet sind, so dass Photoelektronen, die das Strahlprofil oder die Strahlprofile repräsentieren, die einem oder mehreren Umläufen des Teilchenstrahls entsprechen, auf einen oder mehrere Bereiche des Elektronendetektors projiziert werden, der durch die Steuereinheit gesteuert wird, so dass der eine oder die mehreren Bereiche eine zeitliche Entwicklung des Strahlprofils wiedergeben.
Das System kann ferner ein zweites Paar von Elektroden, die orthogonal zu dem ersten Paar von Elektroden angeordnet sind umfassen, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie eine zweite Spannung an das zweite Paar von Elektroden in Korrelation mit der Umlauffrequenz des Teilchenstrahls anlegt.
Insbesondere werden im Folgenden beispielhafte Ausführungen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Die Figuren sind den Ansprüchen beigefügt und werden von Texten begleitet, die einzelne Merkmale der gezeigten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutern. Jedes einzelne in den Figuren dargestellte und/oder im Text der Figuren erwähnte Merkmal kann (auch isoliert) in einen Anspruch bezüglich des Verfahrens und/oder des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen werden.

1 zeigt ein System zur Ermittlung der zeitlichen Entwicklung des Strahlprofils eines Teilchenstrahls, der in einem Teilchenbeschleuniger umläuft;
2 zeigt einen ersten beispielhaften Zeitverlauf für die an das erste und das zweite Elektrodenpaar angelegten Spannungen für eine Reihe periodischer Strahlpulse, die die zeitliche Entwicklung einzelner aufeinanderfolgender Umläufe und eine Darstellung ihrer entsprechenden Strahlprofile ermöglichen; und
zeigt einen zweiten beispielhaften Zeitverlauf für die an das erste und das zweite Elektrodenpaar angelegten Spannungen für eine Reihe periodischer Strahlpulse, die die zeitliche Entwicklung gemittelter aufeinanderfolgender Umläufe und eine Darstellung ihrer entsprechenden Strahlprofile ermöglichen.

Das in 1 gezeigte System stellt schematisch einen ringförmigen Teilchenbeschleuniger 21 dar, in dem ein Teilchenstrahl 20 mit einer bekannten Umlauffrequenz f_rev umläuft, z. B. f_rev = 3,125 MHz entsprechend einer Umlaufzeit von 320 ns. Der Teilchenstrahl 20 wird über Magnete entlang des Rings geführt, wobei die radiale Beschleunigung zum Zentrum des ringförmigen Teilchenbeschleunigers 21 eine kontinuierliche Strahlung in Form von Synchrotronstrahlung 2 tangential zur Ausbreitungsrichtung des Teilchenstrahls 20 bewirkt. Die Synchrotronstrahlung 2 kann aus dem Teilchenbeschleuniger 21 in einStrahlrohr 22 ausgekoppelt und so dem System 10 zugeführt werden, um das Strahlprofil des Teilchenstrahls 20 mit Hilfe der Synchrotronstrahlung 2 zu charakterisieren. Da die Teilchen im Teilchenstrahl 20 die gleiche Wahrscheinlichkeit der Photonenemission bei einer festen Wellenlänge haben, entspricht das Strahlprofil der eingestrahlten Synchrotronstrahlung 2 und dessen eins-zu-eins dem Strahlprofil des Teilchenstrahls 20.
Zur Abbildung des Strahlprofils 1 der Synchrotronstrahlung 2, die das Strahlprofil des Teilchenstrahls 20 widerspiegelt, mit dem System 10 wird die Synchrotronstrahlung 2 zunächst von einer Optik 3, beispielsweise einer Kollimations- oder Fokussierungslinse auf eine Photokathode 4 abgebildet, so dass beim Auftreffen der Synchrotronstrahlung 2 auf die Photokathode 4 Photoelektronen 5 (in der Figur als Pfeil dargestellt) erzeugt werden. Die seitliche Verteilung der Photoelektronen 5 senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung spiegelt das Strahlprofil des Teilchenstrahls 20 wider. Die Photoelektronen 5 erreichen im weiteren Strahlverlauf einen Elektronendetektor 6, wobei der Strahlverlauf einem elektrischen Feld folgt, das beispielsweise durch Anlegen einer Vorspannung zwischen der Photokathode 4 und dem Elektronendetektor 6 erzeugt werden kann. Zwischen der Photokathode 4 und dem Elektronendetektor 6 können die Photoelektronen 5 durch ein erstes und ein zweites Paar von Elektroden 11, 12 räumlich abgelenkt werden. Die Photoelektronen 5 treffen dann auf einen Bereich 8 eines ortsauflösenden Elektronendetektors 6, wie z. B. eine Mikrokanalplatte. Aus der räumlichen Verteilung der Photoelektronen 5, die auf den Bereich 8 des Elektronendetektors 6 projiziert werden, kann das Strahlprofil des Teilchenstrahls 20 ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann der Elektronendetektor 6 beispielsweise die auftreffenden Photoelektronen 5 verstärken und die verstärkten Photoelektronen 5 auf einen Bildschirm 9, insbesondere einen Leuchtschirm, wie z. B. einen Phosphorschirm, leiten, wo die Photoelektronen 5 wieder in Photonen umgewandelt werden, die eine optische der Strahlprofile des Teilchenstrahls 20 auf einer Kamera (nicht dargestellt) ermöglichen.
Um eine zeitliche Entwicklung von Strahlprofilen aufzuzeigen, die einzelnen oder mehreren Umläufen des Teilchenstrahls 20 entsprechen, ist die Steuereinheit 7 so konfiguriert, dass sie eine erste Spannung an das erste Elektrodenpaar 11 und/oder eine zweite Spannung an das zweite Elektrodenpaar 12 anlegt, die eine räumliche Ablenkung der Photoelektronen 5 und folglich eine Änderung des Strahlverlaufs bewirkt. Das erste Elektrodenpaar 11 bewirkt dabei eine Ablenkung entlang einer ersten Richtung, die in der Ansicht von 1 einer horizontalen Richtung entspricht, und das zweite Elektrodenpaar 12 bewirkt eine Richtung entlang einer zweiten Richtung, die in der Ansicht von 1 einer vertikalen Richtung entspricht. Die Steuereinheit 7 ist ferner zur Erfassung der Pulsfrequenz mit dem Strahlrohr 22 des Teilchenbeschleunigers 21 verbunden. Die Steuereinheit 7 ist so konfiguriert, dass sie die erste und/oder die zweite Spannung in Korrelation mit der Pulsfrequenz der Synchrotronstrahlung 2 anlegt, die in diesem Ausführungsbeispiel aufgrund der konstanten Umlauffrequenz des Teilchenstrahls 20 im ringförmigen Teilchenbeschleuniger 21 periodisch erfolgt. Das in 1 gezeigte System 10 ermöglicht daher die Abbildung von Photoelektronen 5, die durch einzelne Strahlpulse erzeugt werden, die einzelnen Umläufen des Teilchenstrahls 20 im Teilchenbeschleuniger 21 entsprechen, indem ausgewählte Spannungen an das erste und/oder das zweite Elektrodenpaar 11, 12 angelegt werden.
Beispielsweise kann die Steuereinheit 7 zunächst eine Reihe von Strahlpulsen analysieren, die im Strahlrohr 22 erfasst wurden, um daraus die Umlauffrequenz abzuleiten. Zu diesem Zweck kann das Strahlrohr 22 beispielsweise einen „injection trigger“ (Trigger bei/für die Teilchenstrahleinspeisung) mit einer Genauigkeit von einigen zehn Pikosekunden oder weniger umfassen. Die Steuereinheit 7 kann dann das erste Elektrodenpaar 11 veranlassen, die erste Spannung anzulegen, die in Abhängigkeit von der Zeit mittels einer Sägezahnfunktion mit einer ersten Frequenz f₁ moduliert ist, die niedriger ist als die Umlauffrequenz, f₁ < f_rev, insbesondere f₁ = f_rev/N, wobei N eine positive ganze Zahl größer als eins ist, insbesondere eine gerade ganze Zahl größer als eins. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist N = 20. Infolge des Sägezahnsignals und f₁ < f_rev ist das elektrische Feld zwischen dem ersten Elektrodenpaar 11 bei jedem Umlauf des Teilchenstrahls 20 unterschiedlich, so dass die Photoelektronen 5, die einzelnen Umläufen entsprechen, jeweils eine unterschiedliche räumliche Ablenkung entlang der ersten Richtung erfahren. Bei einer sägezahnförmigen Modulation der ersten Spannung führt dies zu einer horizontalen Anordnung von N/2 = 10 Projektionen auf verschiedene Bereiche 8 auf dem Elektronendetektor 6 für jede Halbperiode der ersten Spannung, wie in 2 näher gezeigt ist.
Die Steuereinheit 7 kann ferner bewirken, dass das zweite Elektrodenpaar 12 eine zweite Spannung anlegt, die als Funktion der Zeit z.B. mit einer Schrittfunktion mit einer zweiten Frequenz f₂ kleiner als f₁ moduliert ist, f₂ = f₁/M, wobei M eine positive ganze Zahl größer als eins ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist M = 20. Vorzugsweise wird die Schrittfunktion so gewählt, dass die zweite Spannung nach jeder Periode um einen konstanten Betrag ansteigt oder abfällt. Diese Wahl der zweiten Spannung erzeugt eine konstante Ablenkung entlang der zweiten, vertikalen Richtung, während sich die erste Spannung mit der ersten Frequenz ändert. Sobald N/2 Strahlprofile, die N/2 Umläufen entsprechen, abgebildet sind, wird die zweite Spannung auf den nächsten Wert erhöht oder erniedrigt, so dass die Photoelektronen 5 nun vertikal über oder unter die vorherigen Projektionen abgelenkt werden, und der Vorgang wird wiederholt. Für N = M = 20 erhält man eine Anordnung von 20x10 Projektionen auf verschiedene Bereiche 8 des Elektronendetektors 6, so dass die zeitliche Entwicklung des Strahlprofils entsprechend 400 aufeinanderfolgenden Umläufen abgebildet wird.
2 zeigt einen ersten beispielhaften Zeitverlauf der an das erste Elektrodenpaar 11 angelegten ersten Spannung neben der an das zweite Elektrodenpaar 12 angelegten zweiten Spannung für periodische Strahlpulse, die mit der Umlauffrequenz f_rev auftreten. Die erste Spannung wird in diesem Beispiel mit einer Sägezahnfunktion moduliert, die mit der ersten Frequenz f₁ variiert, die deutlich langsamer ist als die Umlauffrequenz, f₁ = f_rev/20, wobei eine größere erste Spannung einer stärkeren Auslenkung nach rechts in der Zeichenebene, der im unteren Teil von 1 dargestellten resultierenden Strahlprofile 1 entspricht. Die am zweiten Elektrodenpaar 12 angelegte zweite Spannung wird mit einer Stufenfunktion moduliert, die in diesem Beispiel mit einer Frequenz f₂ = 2f₁ hochgefahren wird, wobei eine größere zweite Spannung einer stärkeren Auslenkung nach oben in der Zeichenebene der Strahlprofile 1 entspricht. Man beachte, dass die relative Skala der beiden Spannungen willkürlich ist und davon ausgegangen wird, dass die Spannungen so gewählt sind, dass die resultierenden Strahlprofile 1 bei der Projektion auf die verschiedenen Bereiche 8 des Elektronendetektors 6 äquidistant beabstandet sind.
Die erste und die zweite Spannung sind so phasenstarr, dass, solange die zweite Spannung auf einem konstanten Wert bleibt, was einer konstanten Ablenkung der Photoelektronen 5 entlang der zweiten, vertikalen Richtung entspricht, die erste Spannung linear als Funktion der Zeit erhöht wird. Die durch aufeinanderfolgende einzelne Strahlpulse erzeugten Photoelektronen 5 erfahren daher unterschiedliche räumliche Ablenkungen entlang der ersten Richtung, was zu einer Reihe von horizontal angeordneten Strahlprofilen 1 führt, die vom System 10 von links nach rechts abgebildet werden. Sobald die Steigung der ersten Spannung ihr Vorzeichen wechselt, d.h. nach einer halben Periode 1/(2f₁), wird die zweite Spannung auf den nächsthöheren konstanten Wert hochgefahren, so dass die Photoelektronen 5 nun senkrecht über die zuvor abgebildeten Strahlprofile 1 projiziert werden. Die nun abnehmende erste Spannung führt zu Projektionen der Strahlprofile von rechts nach links, bis die erste Spannung eine volle Periode durchlaufen hat und sich der Vorgang wiederholt. Der untere Teil von 2 zeigt eine Darstellung der resultierenden Strahlprofile 1, die für den oben beschriebenen zeitlichen Verlauf der ersten und der zweiten Spannung erhalten wurden, wobei ein Zeitpfeil den Ablauf der Abbildung entsprechend der zeitlichen Entwicklung der abgebildeten Strahlprofile 1 darstellt. In diesem Beispiel stellen die aufeinanderfolgenden Strahlprofile 1 in der Abbildung einzelne Strahlprofile 1 dar, die einzelnen Strahlpulsen oder Umläufen des Teilchenstrahls 20 entsprechen.
zeigt einen zweiten beispielhaften Zeitverlauf der am ersten Elektrodenpaar 11 angelegten ersten Spannung neben der am zweiten Elektrodenpaar 12 angelegten zweiten Spannung für periodische Strahlpulse, die mit der Umlauffrequenz f_rev auftreten. Dabei wird die erste Spannung mit einer Stufenfunktion moduliert. Die Stufenfunktion wird in diesem Beispiel so gewählt, dass die erste Spannung mit einer Frequenz f₁ = f_rev/5 auf- oder absteigend moduliert wird. Die zweite Spannung wird mit einer Schrittfunktion /₂ = f₁/4 moduliert. Da die beiden Spannungen nun für mehrere Strahlpulse, in diesem Fall 5, konstant gehalten werden, bevor eine der beiden Spannungen geändert wird, stellen die resultierenden Strahlprofile 1 keine einzelnen Strahlpulse mehr dar. Stattdessen entspricht jedes Strahlprofil 1 einem Mittelwert über mehrere, hier 5, Strahlpulse. Diese Methode ermöglicht es, eine vorgewählte Anzahl von aufeinanderfolgenden Strahlpulsen, hier 5, auf ein und denselben Bereich 8 auf dem Elektronendetektor 6 abzubilden, was zu einem geringeren Gesamtbereich beiträgt, der von Photoelektronen 5 belichtet wird. Sobald die vorgewählte Anzahl erreicht ist, wird die erste Spannung auf den nächsthöheren konstanten Wert angehoben und der Prozess fortgesetzt. Nach einer Zeit 1/f₁ wird die zweite Spannung auf den nächsthöheren Wert hochgefahren, so dass die folgenden Photoelektronen 5 über die zuvor projizierten Photoelektronen 5 projiziert werden, und die erste Spannung wird in umgekehrter Reihenfolge heruntergefahren, so dass die resultierenden Strahlprofile 1 nun von links nach rechts in der im unteren Teil von 3 gezeigten Zeichenebene abgebildet werden, was wiederum durch den Zeitpfeil angezeigt wird.
Referenzen

[1] M.M. Patil et al., „Modern Ultra-Fast Detectors for Online Beam Diagnostics“, in Proc. IPAC'21, Campinas, SP, Brasilien, Mai 2021, S. 4540-4544. doi:10.18429/JACoW- IPAC2021-FRXC03
[2] Alan S. Fisher, Mark Petree, Richard Kraus, Yat-Shan Au, and Benny Chan, „Turn-by- Turn Imaging of the Transverse Beam Profile in PEP-II“, AIP Conference Proceedings 868, 303-312 (2006) https://doi.org/10.1063/1.2401418

Liste der Bezugszeichen

1: Abbildung des Strahlprofils
2: Synchrotronstrahlung
3: Optik
4: Photokathode
5: Photoelektronen
6: Elektronendetektor
7: Steuereinheit
8: Bereich (des Elektronendetektors)
9: Bildschirm
10: System
11: Erstes Elektrodenpaar
12: Zweites Elektrodenpaar
20: Teilchenstrahl
21: Teilchenbeschleuniger
22: Strahlrohr

Claims

Verfahren zur Abbildung eines oder mehrerer Strahlprofile (1) eines Teilchenstrahls (20), der mit einer Umlauffrequenz f_rev in einem Teilchenbeschleuniger (21) zirkuliert, wobei Synchrotronstrahlung (2) von dem Teilchenstrahl (20) abgestrahlt und auf eine Photokathode (4) übertragen wird, so dass sich die so von der Synchrotronstrahlung (2) erzeugten Photoelektronen (5) von der Photokathode (4) zu einem ortsauflösenden Elektronendetektor (6) ausbreiten, wobei die Photoelektronen (5) entlang einer ersten Richtung entsprechend einer ersten Spannung abgelenkt werden, die zwischen einem ersten Paar von Elektroden (11) angelegt wird, die zwischen der Photokathode (4) und dem Elektronendetektor (6) angeordnet sind, wobei die erste Spannung von einer Steuereinheit (7) in Korrelation mit der Umlauffrequenz des Teilchenstrahls (20) gesteuert wird, so dass Photoelektronen (5), die das Strahlprofil oder die Strahlprofile, die einer oder mehreren Umläufen des Teilchenstrahls (20) entsprechen, auf einen oder mehrere Bereiche (8) des Elektronendetektors (6) projiziert werden, die von der Steuereinheit (7) gesteuert werden, so dass die Projektionen auf den einen oder die mehreren Bereiche (8) eine zeitliche Entwicklung des Strahlprofils (1) wiedergeben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (7) das erste Elektrodenpaar (11) veranlasst, die erste Spannung mit einer ersten Frequenz f₁ synchron mit der Umlauffrequenz, f₁ = f_rev zu modulieren.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Frequenz f₁ niedriger ist als die Umlauffrequenz, f₁ < f_rev, insbesondere f₁ = f_rev/N, wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Spannung als Funktion der Zeit moduliert wird, wobei die Funktion eine Sägezahnfunktion ist, so dass Strahlprofile (1), die einzelnen Umläufen des Teilchenstrahls (20) entsprechen, jeweils auf unterschiedliche Bereiche (8) des Elektronendetektors (6) abgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Spannung als Funktion der Zeit moduliert wird, wobei die Funktion eine Stufenfunktion ist, so dass Strahlprofile (1), die ganzzahligen Umläufen des Teilchenstrahls (20) entsprechen, jeweils auf den gleichen Bereich (8) des Elektronendetektors (6) projiziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Photoelektronen (5) ferner entlang einer zweiten Richtung entsprechend einer zweiten Spannung abgelenkt werden, die zwischen einem zweiten Paar von Elektroden (12) angelegt wird, die zwischen der Photokathode (4) und dem Elektronendetektor (6) angeordnet sind, wobei die zweite Spannung durch die Steuereinheit (7) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Richtung orthogonal zur ersten Richtung ausgerichtet ist, insbesondere so, dass eine Ebene, die die erste und die zweite Richtung umfasst, orthogonal zu einer Ausbreitungsrichtung der Photoelektronen (5) von der Photokathode (4) ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Steuereinheit (7) das zweite Elektrodenpaar (12) so steuert, dass die zweite Spannung mit einer zweiten Frequenz f₂ proportional zur ersten Frequenz f₁ angelegt wird f2 ∝ f1.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zweite Frequenz f₂ niedriger ist als die erste Frequenz, f₂ < f₁, insbesondere f₂ = f₁/M, wobei M eine positive ganze Zahl größer als eins ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die zweite Spannung als eine Funktion der Zeit moduliert wird, wobei die Funktion eine Stufenfunktion ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektronendetektor (6) eine Mikrokanalplatte umfasst oder ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Photoelektronen (5), die das eine oder die mehreren Strahlprofile (1) des Teilchenstrahls (20) repräsentieren, durch den Elektronendetektor (6) verstärkt und unter Verwendung eines dem Elektronendetektor (6) nachgeschalteten Bildschirms (9) abgebildet werden, wobei der Bildschirm (9) so konfiguriert ist, dass er in einem Bereich und als Reaktion auf auftreffende Elektronen von dem Elektronendetektor (6) Photonen emittiert, insbesondere wobei ein Lumineszenzsignal von dem Bildschirm (9) mit einer Kamera detektiert wird, wobei der eine oder die mehreren Bereiche (8) des Elektronendetektors (6) auf der Kamera abgebildet werden.