DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Die Strahlungsquelle ELBE im Forschungszentrum Rossendorf

Peter Michel, Frank Gabriel
Forschungszentrum Rossendorf
01314 Dresden, Postfach 510119

Kontakt: Dr. Peter Michel

ELBE-Konzept

Der Elektronenbeschleuniger ELBE (Elektronenbeschleuniger mit hoher Brillanz und geringer Emittanz) im Forschungszentrum Rossendorf wird nach seiner entgültigen Fertigstellung elektromagnetische Strahlung, Neutronen, Positronen sowie Elektronen für die Forschung liefern. Die Vielfalt und die hervorragenden Eigenschaften dieser Sekundär- strahlung machen ELBE zum zentralen und verbindenden Großgerät der Institute im Forschungszentrum Rossendorf. Ein 40 MeV, 1mA Elektronenbeschleuniger dient als Treiber für die verschiedenen Arten von Sekundärstrahlung. Die Abb.1 verdeutlicht das Konzept der Strahlungserzeugung an ELBE.

In Abb.2 ist das Layout der gesamten Anlage dargestellt. Die Abschirmung der Umgebung vor der bei Beschleunigerbetrieb entstehenden intensiven ionisierenden Strahlung erfolgt durch ca. 3 m dicke Betonwände innerhalb des Gebäudes. An den Endstationen der Elektronenstrahlführungen befinden sich jeweils die Produktionstargets für Sekundär- strahlung. Da die Qualität des Elektronenstrahles bei der Sekundärstrahlungserzeugung erheblich verschlechtert wird (Energiebreite, transversale Emittanz), ist ein parasitärer Nutzerbetrieb ausgeschlossen.


Abb1 :
Sekundärstrahlungserzeugung an ELBE

Abb2 :
Strahlungsquelle ELBE im Forschungszentrum Rossendorf

Elektronenbeschleuniger


Abb 3:
3 ELBE Beschleunigermodul

Die in ELBE beschleunigten Elektronenpulse werden zunächst in einer thermischen Kathode erzeugt und dann in einem elektrostatischen Feld mit 250 kV vorbeschleunigt. Die dabei erzeugten Elektronenpulse haben eine Länge von ca. 500 ps und müssen vor der Hauptbeschleunigung in einem Pulskompressor auf wenige ps verkürzt werden. Diese ultrakurzen Elektronenpakete werden dann in einem supraleitenden Hochfrequenz-Linearbeschleuniger (Abb.3) auf 40 MeV beschleunigt.

Der Beschleuniger besteht aus zwei Kryomodulen, die jeweils zwei neunzellige 1,3 GHz Niob-Resonatoren (Teslazellen) enthalten. ELBE wird im s.g. CW-Mode (Continuous Wave) betrieben. Damit wird ein außerordentlich hoher mittlerer Strahlstrom von ca. 1mA erreicht. Weitere wichtige Eigenschaften des ELBE-Elektronenstrahles, wie die geringe transversale Emittanz, eine kleine Energieunschärfe und eine extrem kurze Elektronenpulslänge, sind für die effektive Produktion der verschiedenen Arten von Sekundärstrahlung von Bedeutung.

Bremsstrahlung

Durch Beschuss einer einige µm dicken Targetfolie entsteht an ELBE infolge Bremsstrahlung ein intensiver und hochenergetischer Photonenstrahl. Mit diesem Strahl werden an ELBE kernspektroskopische und astrophysikalische Untersuchungen durchgeführt. Die Abb.4 verdeutlicht die Erzeugung und die Nutzung des ELBE-Bremsstrahles.


Abb 4:
Bremsstrahlerzeugung an ELBE

Abb 5:
Röntgenstrahlungserzeugung durch Elektronenchanneling an ELBE

Röntgenstrahlung

Quasimonochromatische Röntgenstrahlung mit einer Energie von 10 bis 100 KeV und Intensitäten bis zu 1011 s-1 wird über Elektronenchanneling in einem dünnen Diamantkristall erzeugt. (Abb.5)

Infrarotstrahlung

Monoenergetische Infrarotstrahlung, die mittels zweier Freie-Elektronen-Laser (FEL) produziert wird und deren Wellenlänge zwischen 3 und ca. 150 µm variiert werden kann, bildet den langwelligsten Bereich der ELBE-Sekundärstrahlung. (Abb. 6)

Abb 6: Infrarotstrahlung an ELBE wird mittels Freie-Elektronen-Laser (FEL) erzeugt

Die aus dem FEL ausgekoppelte Leistung des Laserstrahles erreicht dabei bis zu 100 W. Der kurzwellige FEL (5-25 µm) wurde am 07. Mai 2004 erfolgreich in Betrieb genommen.

Neutronen

Neutronen werden an ELBE durch Elektronenbeschuss gekühlter Blei- bzw- Wolframtargets über der Erzeugung von Bremsstrahlung in der Kombination mit nuklearen (g,n)-Reaktionen produziert. Es werden totale Neutronenintensitäten von 1012 s-1 erreicht. Der Neutronenstrahl besitzt dabei die gleiche Zeitstruktur wie die Elektronen. Dadurch wird es möglich, energie-aufgelöste Messungen über Flugzeittechnik anzuwenden. Das ELBE-Neutronenlabor ist ein Gemeinschaftsprojekt zwischen der TU Dresden und dem FZR. (Abb.7)


Abb 7: Neutronen an ELBE

Positronen

Im Rahmen einer weiteren Zusammenarbeit wird mit der Universität Halle-Wittenberg an ELBE ein zwischen 1 und 30 keV einstellbarer monoenergetischer Positronenstrahl (10 8 Positronen s-1) erzeugt werden. Hauptanwendungsgebiete wird die Untersuchung von Defekten bzw. Nanohohlräumen in Halbleitern, Kristallen oder anderen kristallinen oder amorphen Werkstoffen sein. Die Abb. 8 stellt schematisch die Erzeugung monoenergetischer Positronen dar.


Abb 8: Positronen an ELBE

Insbesondere mit dem Positronenstrahl sollen an ELBE zerstörungsfreie Material- untersuchungen durchgeführt werden. Dabei spielt die einstellbare Positronenenergie und die damit verbundene Möglichkeit, die Eindringtiefe der Positronen in das Material zu variieren, eine wichtige Rolle.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net