DE102008054676B4 - Anordnung und Verwendung der Anordnung zur Erzeugung einzelner relativistischer Elektronen - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Erzeugung einzelner relativistischer Elektronen, die aus einem Elektronenbeschleuniger, der mindestens zwei Beschleuniger-Kavitäten enthält, und ein elektronischoptisch dünnes Streutarget oder mehrere elektronischoptisch dünne Streutargets zwischen zwei Beschleuniger-Kavitäten positioniert werden. Die Vorteile und Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik sind die Erzeugung einzelner relativistischer Elektronenpakete mit definierter Multiplizität ≥ 1 in einem Zeitfenster von wenigen Pikosekunden Länge, die Reduzierung des Strahlungsuntergrundes im Bereich des Testareals um mindestens drei Größenordnungen, das Durchdringung der zu vermessenden Detektoren mittels gerichteter monoenergetischer Elektronenstrahlen, die Variierung der Wiederholfrequenz der Einzelelektronenpakete über sechs Größenordnungen von Hz bis MHz und der Einsatz der Erfindung beim Test und bei der Kalibrierung von Detektoren durch Bestrahlung mit Elektronen, bei der Bestimmung des Energieverlusts von Ionen, beim Durchdringen von Materie oder als Attoampere Stromquelle.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Beschleuniger-Anordnung und deren Verwendung zur Erzeugung einzelner relativistischer Elektronen.
• Zur Charakterisierung der Eigenschaften von Teilchendetektoren werden Elektronenstrahlen von Beschleunigern genutzt. Relativistische Elektronen durchdringen den Detektor und generieren in diesem Signale. Qualität und Quantität der Signale hängen von der Bauart des zu untersuchenden Detektors sowie den Eigenschaften des Elektronenstrahls ab. Deshalb werden die Eigenschaften des Elektronenstrahls an die Messaufgabe angepasst.
• Eine der wichtigsten Kenngrößen von Kernstrahlungsdetektoren ist deren Ansprechwahrscheinlichkeit auf einzelne diese durchdringende Elektronen oder andere elementare oder zusammengesetzte Teilchen innerhalb eines definierten Zeitintervalls. Diese Untersuchungen erfordern die Bestrahlung der zu untersuchenden Detektoren mit einzelnen monochromatischen Elektronen in einem definierten Zeitfenster.
• Beschleunigeranlagen liefern üblicherweise Strahlpakete, die eine große Anzahl Elektronen (> 10⁴) beinhalten. Die Strahldiagnosesysteme zur Einstellung des Beschleunigers sind für diese Ladungsmengen konzipiert und versagen schon bei Strahlstromstärken, die neun Größenordnungen über den geforderten niedrigen Werten für den Betrieb mit Einzelelektronenpulsen im Attoampere Bereich liegen.
• Zur Erzeugung von Strahlpaketen, die einzelne Elektronen beinhalten, werden üblicherweise die intensiven Elektronenstrahlen an Targets gestreut. Die Intensität der im Streuprozess erzeugten Sekundärelektronen fällt exponentiell mit steigendem Streuwinkel. Die Energieverteilung der Sekundärelektronen ist nicht monochromatisch. Eine kleine Untermenge der Elektronen, die an den schweren Atomkernen quasielastisch gestreut werden, behält die Primärenergie mit einer Energieverschmierung von einigen Prozent bei, während die niederenergetischen Sekundärelektronen in hoher Intensität auftreten und einen die Messung beeinflussenden störenden Strahlungsuntergrund erzeugen. Dieser kann nur durch sorgfältige und somit sehr aufwändige Abschirmassnahmen reduziert werden.
• Der Strahlungsuntergrund verursacht hohe Einzelzählraten und somit viele den Messprozess störende zufällige Koinzidenzen.
• Aus der Literatur sind zwei Beschleunigeranlagen bekannt die relativistische Primärelektronenpakete mit der Multiplizität 1 liefern.
• [Frammery et al.: Single electron beams from the LEP pre-injector. CH2669 0/89/0000-0298 (1989) IEEE.] berichten von der Erzeugung eines Einzelelektronenstrahls im Elektronen-Positronen-Akkumulator des LEP Beschleunigers (Large Electron-Positron Collider – großer Elektronen-Positronen Speicherring) am CERN. Das LEP Konzept verringert die Primärstrahlintensität durch die Reduzierung des Quellenstromes und die Verwendung von schmalspaltigen Diaphragmen vor der Injektion in den Linearbeschleuniger. Die Strahlreduktion ist somit vor dem Prozess der Hauptbeschleunigung abgeschlossen. Die Anzahl der Elektronenpakete mit der Multiplizität 1 beträgt 45% während die Wiederholrate maximal 0,4 Hz erreicht. Der Nachweis der Strahlpakete erfolgt mit Szintillationszählern und elektromagnetischen Kalorimetern.
• [Mazzitelli et al.: Commissioning of the DAPHNE beam test facility. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 515 (2003) 524.] und [Mazzitelli et al.: DAFHNE BEAM TEST FACILITY COMMISIONING. Proc. of the Particle Accelerator Conf. (2003), S. 1658–1660.] stellen eine Beam Test Facility am DAPHNE Beschleunigerring im INFN (Instituto Nazionale di Fisica Nucleare) Frascati zur Erzeugung von einzelnen Elektronen oder Positronen pro Strahlpaket vor. Dieses Konzept nutzt dicke Streutargets (relative Strahlungslänge x/X₀ = 1,7 bis 2,3), in denen der hochenergetische Elektronenstrahl nach der Hauptbeschleunigung aufgefächert wird. Zwischen dem Target und dem Detektor wurden Strahlkollimatoren und ein Dipol installiert, um die Sekundärstrahlung energiedispersiv zu detektieren. Durch den Einsatz der dicken Streutargets entsteht ein hoher Strahlungsuntergrund. Der Nachweis der Leptonen erfolgte mit elektromagnetischen Kalorimetern sowie Cherenkov-Zählern.
• Beide Anordnungen sind nur für die Extraktion von Einzelelektronenpaketen mit niedrigen Wiederholraten von bis zu einigen Hertz konzipiert.
• [Yokkaichi, S. et al.: Proposal Electron pair spectrometer at the J-PARC 50-GeV PS to explore the chiral symmetry in QCD, RIKEN, 28.04.2006.] beschreibt den Einsatz von dünnen Streutargets zur Reduzierung des Hintergrundes bei der Elektron-Positron Paarerzeugung an dünnen Streutargets.
• [Bräuning, H. et al.: Strong Evidence for Enhanced Multiple Electron Capture from Surfaces in 46 MeV/u Pb⁸¹⁺ Collisions with thin Carbon Foils, Physical Review Letters 86 (2001), Nr. 6, S. 991–994.] beschreiben Untersuchungsergebnisse beim Einfangen von mehreren Elektronenstrahlen an dünnen Kohlenstoff-Folien.
• Mit der Erfindung gelöste Aufgaben
• Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und deren Verwendung können einzelne Elektronen in Strahlpaketen von ca. 5 ps Zeitausdehnung beschleunigt werden. Weiterhin können die Wiederholraten der Strahlpakete im Bereich von 1 Hz bis 260 MHz variiert werden.
• Grundzüge des Lösungsweges
• Zur Lösung der Aufgabe werden ein oder mehrere geeignete Streutargets zwischen den Beschleuniger-Kavitäten positioniert. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten
• Erzeugte Vorteile oder Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik
• Die Vorteile und Verbesserungen dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind:
• • die Erzeugung einzelner relativistischer Elektronenpakete mit definierter Multiplizität ≥ 1 in einem Zeitfenster von wenigen Pikosekunden Länge,
• • die Reduzierung des Strahlungsuntergrundes im Bereich des Testareals um mindestens drei Größenordnungen,
• • das Durchdringung der zu vermessenden Detektoren mittels gerichteter monoenergetischer Elektronenstrahlen,
• • die Variierung der Wiederholfrequenz der Einzelelektronenpakete über sechs Größenordnungen von Hz bis MHz und
• • der Einsatz der Erfindung – beim Test und bei der Kalibrierung von Detektoren durch Bestrahlung mit Elektronen, – bei der Bestimmung des Energieverlusts von Ionen, – beim Durchdringen von Materie und – als Attoampere Stromquelle.
• Ausführungsbeispiel
• Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In den erklärenden Abbildungen zeigen:
• 1: einen möglichen Aufbau am Beispiel des Linearbeschleunigers ELBE,
• 2: Energieverlustspektrum bei minimaler Gitterspannung und
• 3: Energieverlustspektrum bei hoher Gitterspannung in der Elektronenquelle.
• Die erfindungsgemäße Anordnung und deren Verwendung wird am Beispiel des Linearbeschleunigers ELBE (Elektronen Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillanz und niedriger Emittanz) erklärt, das Verfahren kann auch an anderen Beschleunigern genutzt werden.
• Schematisch besteht der Beschleuniger aus einer Elektronenquelle und zwei Kavitäten, die den Elektronenstrahl weiter beschleunigen. Dünne Aluminiumfolien dienen im Routinebetrieb der Erzeugung optischer Übergangsstrahlung für die Strahlführungsdiagnose. Diese werden vor Beginn der Bestrahlung aus dem Strahlengang wieder entfernt.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Einführung von einer oder mehreren dünnen Aluminiumfolien mit einer relativen Strahlungslänge von x/X₀ = 1,6·10^–4 während des Strahlungsbetriebes in den Strahlengang zwischen den beiden Beschleuniger-Kavitäten 2-I und 2-II. (siehe 1). Dadurch kommt es zum Auffächern des Primärstrahls und zur Kleinwinkelstreuung des Primärstrahls entlang der Strahlachse.
• Die geringe Akzeptanz des den Streutargets nachgeordneten
• Strahlführungssystems bewirkt eine effektive Unterdrückung der gestreuten Elektronen bei deren gleichzeitiger Energieselektion. Die spezielle Anordnung der Streutargets zwischen den Beschleunigerstufen unterdrückt zusätzlich die durch Feldemission in den Kavitäten erzeugten Elektronen. Zusätzlich wird durch die Änderung der Gitterspannung in der Elektronenquelle der in die erste Beschleunigerkavität injizierte Elektronenstrom variiert.
• Experimentelle Versuche bestätigen die Erzeugung von Strahlpaketen, die ein Elektron oder eine geringe definierte Anzahl Elektronen enthalten und einen korrelierten Zeitbezug zur Beschleunigerfrequenz haben. Die Elektronen wurden auf die Energie von 30 MeV beschleunigt. Für den Nachweis der Anzahl von Elektronen pro Strahlpaket wurde eine Messeinrichtung, bestehend aus drei Szintillationszählern, aufgebaut. Die Signalamplituden werden in einem Ladungskonverter (QDC) mit einer Kanalauflösung von 25 fC digitalisiert. Einer der Detektoren ermöglichte den Nachweis der von den relativistischen Elektronen durch Energieverlust im Szintillator eingetragenen Energie mit der Genauigkeit von 10%. Diese Genauigkeit ist für den Nachweis einzelner oder einiger weniger Elektronen (n < 7) ausreichend. 2 und 3 zeigen charakteristische Energieverlusstspektren für verschiedene Einstellungen der Elektronenquelle. Die Verteilungsmaxima sind den Elektronenmultiplizitäten in den Strahlpaketen zuzuordnen. In 2 ist das linke Maximum den Einzelelektronen und das rechte den Strahlpaketen mit zwei Elektronen zugeordnet. In 3. repräsentiert das linke Maximum die Einzelelektronen und die rechten Maxima die Strahlpakete mit zwei bis sieben Elektronen.
• Durch die vorgestellte Erfindung können Elektronen in Strahlpaketen von ca. 5 ps Zeitausdehnung beschleunigt werden. Die Strahlpakete enthalten eine definierte dem Messprozess zuzuordnende Anzahl Elektronen (Multiplizität ≥ 1). Die Elektronen sind monochromatisch (ΔE/E < 10^–2). Der den Messprozess störende Einfluss des Strahlungsuntergrundes wird durch diese Erfindung um mehrere Größenordnungen gegenüber bisherigen Verfahren reduziert.
• Durch den Einsatz der Anordnung ist die Erzeugung von Strahlstromstärken im Attoampere Bereich möglich, die das Einbringen hochgenau definierter Ladungsmengen in Proben erst ermöglichen. Weiterhin können die mit dieser Anordnung und diesem Verfahren erzeugten Elektronen zur Bestimmung des Energieverlustes von Ionen beim Durchdringen von Materie genutzt werden.
• Die Verwendung der Anordnung ermöglicht die Bestimmung des Ansprechverhaltens, der Totzeit, der Energieauflösung sowie der Ratenfestigkeit von Kernstrahlungsdetektoren. Die Bestimmung des Zeitbezuges von Detektorsignalen erfolgt relativ zum Zeitpunkt der Erzeugung des Strahlpakets mit einer Messgenauigkeit von bis zu 5 Pikosekunden.
• Bezugszeichenliste

1

Elektronenquelle

2

Beschleuniger-Kavitäten I und II

3

Streutarget

4

Spektrometer

5

Dipolmagnet

6

Solenoid

7

Diaphragma

8

Pulskompressor

9

Makropulser

10

Quadrupoltriplett

11

Quadrupoldublett

12

Quadrupolsinglett

13

Strahlfänger

N

Anzahl der gemessenen Ereignisse

QDC channel

Ladung des Detektorsignals mit 25 fC/Kanal

Claims (5)

1. Anordnung zur Erzeugung einzelner relativistischer Elektronen bestehend aus einem Elektronenbeschleuniger, der mindestens zwei BeschleunigerKavitäten enthält, wobei mindestens ein Streutarget zwischen zwei Beschleuniger-Kavitäten positioniert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Streutarget elektronenoptisch dünn ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Streutargets zwischen zwei Kavitäten verwendet werden.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Streutargets aus dünnen Aluminiumfolien bestehen.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streutargets eine relative Strahlungslänge von x/X₀ ≈ 1,6·10^–4 besitzen.
5. Verwendung der Anordung nach Anspruch 1 zur Variierung der Wiederholrate der Einzelelektronenpakete im Bereich bis zu 260 MHz, vorzugsweise bis zu 13 MHz.

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