Synchrotronstrahlung Kapitel 5 Synchrotronstrahlung Rüdiger Schmidt (CERN) – Darmstadt TU - Februar 2008 - Version 2.1

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

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

Theorie der Synchrotronstrahlung: Larmorgleichung

Synchrotronstrahlung im Kreisbeschleuniger Bild aus K.Wille

Lorentz - Transformation

Synchrotronstrahlung für longitudinale / transversale Beschleunigung

Synchrotronstrahlung für Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit

Beispiel für Abstrahlung bei Beschleunigung in Richtung des Impuls

Beschleunigung senkrecht zur Bewegung - Beispiel für einen Modellbeschleuniger

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

Energiespektrum der Synchrotronstrahlung 1: Kegel der Abstrahlung von A mit Öffnungswinkel 2/ A B Elektronenbahn Beobachter 2: Kegel der Abstrahlung von A mit Öffnungswinkel 2/ t E2 t nach K.Wille

Spring 8, Japan

European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble)

Übersicht der Brillianz von Synchrotronstrahlungsquellen Synchrotronstrahlung ist Röntgenstrahlung mit einer Energie von einigen eV bis zu einigen hundert keV (oder sogar einigen MeV) 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

Experiment an der ESRF

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

XFEL Projekt am DESY Free-electron laser that operates according to the SASE principle (self-amplified 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 (GeV) 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 2000

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

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