Kapitel 5 Synchrotronstrahlung Rdiger Schmidt CERN Darmstadt TU

Kapitel 5 Synchrotronstrahlung Rüdiger Schmidt (CERN) – Darmstadt TU - Februar 2008 - Version 2. 1 1

Übersicht Erste Beobachtung von Synchrotonstrahlung Larmorgleichung Synchrotronstrahlung im Kreisbeschleuniger Abstrahlwinkel Strahlungsleistung Energiespektrum Beispiele 2

Erste Beobachtung von Synchrotronstrahlung 1947 - 70 Me. V Synchrotron, General Electric Research Lab Vakuumkammer aus Glas - daher konnte man die Strahlung beobachten 3

Theorie der Synchrotronstrahlung: Larmorgleichung 4

Synchrotronstrahlung im Kreisbeschleuniger Bild aus K. Wille 5

Lorentz - Transformation 6

Synchrotronstrahlung für longitudinale / transversale Beschleunigung 7

Synchrotronstrahlung für Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit 8

Beispiel für Abstrahlung bei Beschleunigung in Richtung des Impuls 9

Beschleunigung senkrecht zur Bewegung - Beispiel für einen Modellbeschleuniger 10

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Abstrahlungswinkel der Photonen: 1 / Die Leistung der Synchtrotronstralung lässt sich mit Methoden der klassischen Elektrodynamik berechnen. Eine genau Berechnung des Spektrum lässt sich nur mit Quantenelektrodynamik durchführen Bilder aus K. Wille 12

Energiespektrum der Synchrotronstrahlung 1: Kegel der Abstrahlung von A mit Öffnungswinkel 2/ A Elektronenbahn B E 2 Beobachter 2: Kegel der Abstrahlung von A mit Öffnungswinkel 2/ t t nach K. Wille 13

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Spring 8, Japan 15

European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble) 16

Übersicht der Brillianz von Synchrotronstrahlungsquellen • Synchrotronstrahlung ist Röntgenstrahlung mit einer Energie von einigen e. V bis zu einigen hundert ke. V (oder sogar einigen Me. V) • Erste Nutzung der Synchtrotronstrahlung am SLAC, BNL und am DESY - parasitär zu Teilchenphysik • Heute 54 Beschleuniger nur zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung (z. B. ESRF – Grenoble, BESSY – Berlin, ANKA – Karlsruhe, ELBE Dresden) mit 20000 Benutzern • Weitere Beschleuniger sind in Bau und in Planung 17

Experiment an der ESRF 18

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Erzeugung von Synchrotronstrahlung Anwendungen • Untersuchung von physikalischen, chemischen, biologischen Systemen (z. B. um die Zusammensetzung der Tinte auf römischen Dokumenten zu untersuchen, die in Pompeji gefunden wurden) Parameter • Brillianz, Energiespektrum der Photonen Beschleunigertypen • Linacs und “recirculating linacs“ • Elektronen / Positronenspeicherringe Beispiele • e+ und e- Speicherringe (viele !) • Free electron laser (e- Linacs) • Zukunft: Röntgenlaser XFEL am DESY 21

XFEL Projekt am DESY Free-electron laser that operates according to the SASE principle (selfamplified spontaneous emission) Total length of the facility: approx. 3. 3 km Accelerator tunnel: approx. 2 km Depth underground: 6 - 15 m Wavelength of X-ray radiation: 6 to 0. 085 nanometers (nm), corresponding to electron energies of 10 to 20 billion electron volts (Ge. V) Length of radiation pulses: below 100 femtoseconds (fs) Total costs of the XFEL project: 684 million Euro, based on the price level of the year 22 2000

Zukunftsprojekt: Röntgenlaser am DESY (XFEL) Femtochemie Strukturbiologie Materialforschung Clusterphysik Atomphysik 23

Zukunftsprojekt: Röntgenlaser am DESY Beschleunigertunnel mit Hohlraumresonatoren Magnetondulator zur Erzeugung von Röntgenstrahlung 24