Institut fur Festk orperphysik

Synchrotron-Strahlung

Vorstellung einer Methode zurFestkörperuntersuchung

Dennis Aulich & Daniel Schmidt

Technische Universitat Berlin

FAKULTAT II, Mathematik und Naturwissenschaften

Institut fur Festkorperphysik

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Institut fur Festk orperphysik

Inhalt

ErzeugungEigenschaften

Undulatoren und Wiggler

Komponenten eine Synchrotrons

Optische KomponentenMonochromatoren

AnwendungExperiementierverfahren

Energiebanduntersuchung

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Erzeugung der Synchrotronstrahlung

Beschleunigte Ladungen strahlen(z.B. Röntgenbremsstrahlung)

v ≪ cv = 2, 99792 · 108 km/s ≈ cE ≈ 1, 7GeV

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Geschichte

1940-1950 vorhergesagt

1947 experimentelle Beobachtung

1. Generation 1956 erste Verwendung in der Spektroskopie

2. Generation 1970 erste dedizierte Quelle

1978 erste Experimente mit Undulator und Wiggler

3. Generation 1988 erste Nutzung von Undulator und Wiggler

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Vorteile der Synchrotronstrahlung

Kontinuierliches Spektrum von IR bis harter Röntgenstrahlung

Hohe IntensitätHohe Brillianz (Photonenfluss pro Raumeinheit)

ZeitstrukturPolarisationexakt berechenbar und -steuerbar

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Komponenten eines Synchrotrons

1. Vakuum-System

2. Injektions- und Beschleunigungssystem

3. Hochfrequenz-Resonator

4. Ablenk- und Fokussiermagnete

5. Strahlungserzeugung

6. Kontrollsystem

7. Strahlenschutz8. Beam-Line

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Das Injektions- und Beschleunigungssystem

Glühkathode 100 keVLinearbeschleuniger 50 MeVSynchrotron 1,7 GeV

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Erzeugung der Synchrotronstrahlung

Durch Ablenkmagnet

kritische Wellenlänge

λC =4π

3γ3

Ablenkradius

γ = Ekin

E0Energieverhältnis

kürzere Wellenlänge durch Wellenlängenschieber (Shifter)

e

hv

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Undulatoren und Wiggler

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Undulatoren und Wiggler

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Undulatoren und Wiggler

(insertion devices)Unterscheidung durch Undulatorparameters

K =λU eB

2πm0c

Θ =K

λ

Undulator K ≤ 1, Θ ≤1γ n2-fache Intensität

Wiggler K > 1, Θ > 1γ 2n-fache Intensität

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Nachbeschleunigungssystem

(Hochfrequenzresonator)

Abgestrahlte Energie pro Elek-tron und Umlauf:

∆E =e2γ4

3ε0r0

⇒ Rückführung von EnergieResonatorfrequenz Einteilung der Elektronen in BunchesFrequenz 500 MhzLänge eines Bunches ≈ 10cm ∼= 0,02 ns

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Strahlfokussierung

Lorentzkraft

Elektrische und Magnetische Quadrupole

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Synchrotron-Strahlung

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Optische Komponenten (beamline)

101 100 1000 10M 100M

PGMSGMTGM

KMC−2

KristallchromatorenGitterchromatoren

Energie [eV]

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Synchrotron im EM-Spektrum

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Probleme bei Strahlführung

Absorptionslänge A[mm]steigt mit Energie

A[mm]

10

0.1

0.0001

1 10 E[keV]ab 30 eV:streifender (flacher)Winkelbeamline anpassen

Reflektivität R[%] sinkt abkritischen Winkel

R

Θ Θ

0,8

0,4

0

Au=8keV

6c

12

Ekin θC

100 eV 10 ◦

1 keV 1 ◦

10 keV 0,1 ◦

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Gittermonochromatoren

Leitlinien:wenig Flächen

wenig bewegliche Teile

Spalten ortsfest

horizontaler StrahlenverlaufParameter:

Abstand d der Strukturen (groß gegen Wellenlänge)

Anzahl der StrukturenProfilformGesalt: eben, sphärisch, unsphärisch, konkav

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Kristallmonochromatoren

Θ

d

Prinzip der Bragg-Reflexion

2d sin Θ = λ

Auflösung

∆E

E=

∆λ

λ= ∆ΘcotΘ

Problemesehr genau Produktion nötig

Sekundäremission bei schweren Elementen

Methode KMC-2Energiebereich 2,1 ... 43 keKAuflösung ∆E = 2,5 eVKristalle Si(111) symmetrisch und Si(111) asymmetrisch

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Einsatz in den Wissenschaften

Biologie Blutzellen untersuchen

Radiometrie Kalibrierung von Meßgeräten

Lithographie Miniaturantriebe

Chemie Sauerstoffgehalt in Trinkwasser

Radiometrie Röntgenastronomie

Atomphysik Doppelionisation von Helium

Festkörperphysik Cu,In,Ga,Se-Dünnschicht-Solarzellen

Magnetische Untersuchungen Nanostrukturen für Datenspeicherung

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Experimentelle Verfahren

Photoelektronen-Spektroskopie

Röntgenspektroskopie

Röntgenfluoreszenzspektroskopie

EUV-Lithographie

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Photoelektronenspektroskopie

Minimum der freien Weglänge a[Å]

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Energiebanduntersuchunmg

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Forschungsorte

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Berliner Synchrotronquellen

Bessy I Bessy II

Elektronenenergie 0,8 GeV 0,9 ... 1,9 GeV

Elektronenstrom 500 mA 200 mA

Magnetfeld 1,5 T 1,5 T

Kritische Energie 0,63 keV 2,60 keV

kritische Wellenlänge 1,9 nm 0,48 nm

Brillianz reisefertig 1019 Syn∗

* Syn = 1 Photonensec mm2 mrad2 1%Spektr.Bandbr.

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Literatur

Giorgio Margaritondo, Synchrotron Radiation,New Oxford University Press,1988

http://www.bessy.de, Stand 2002

Demtröder, Experimentalphysik IV, 1998

Christian Schultz, CdS/InP-Grenzfläche, 1998

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