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Die Berechnung der spektralen Verteilung der SR

Ein einzelnes Elektron der Energie auf einer Kreisbahn mit dem Krümmungsradius R strahlt ein kontinuierliches elektromagnetisches Spektrum nach der Lippmann-Schwinger Gl. ab [Kun78, Wes83] :

Die Intensität der SR hängt über stark von der Energie der Elektronen und über vom Krümmungsradius ihrer Flugbahn R ab. Beim Betrieb eines Speicherringes zur Erzeugung von SR ist die Elektronenenergie fest gewählt und der Krümmungsradius der Elektronenbahn ( i.a. in der horizontalen Ebene ) durch die Vakuumrohre und die Ablenkmagnete fest vorgegeben.

Die abgestrahlte Intensität variiert hierdurch nur noch mit der Energie der emittierten Photonen und deren Emissionswinkel in der Vertikalen bezüglich der horizontalen Bahnebene des Elektrons. Die spektrale Verteilung der SR zeigt einen starken Intensitätsabfall zu höheren Photonenenergien, der sich bei Abstrahlung unter einem Winkel noch verstärkt [Abb. 7a]. Mit steigender Photonenenergie wird die SR stärker gebündelt emittiert [Abb. 7b], wodurch sich das Aufweichen der spektralen Verteilung mit steigendem Emissionswinkel erklärt. Die Breite dieser Winkelverteilung, die natürliche Divergenz der SR, nimmt von kleiner Photonenenergie an rasch mit steigender Energie ab und geht in einen flachen, schwach abfallenden Bereich bei höheren Photonenenergien über [Abb. 7c]. Die Gesamtintensität der SR setzt sich aus einer parallel ( ) zur Bahnebene des Elektrons und einer senkrecht ( ) dazu polarisierten Strahlungskomponente zusammen [Gl. 1]. Die parallel polarisierte Intensität (vorderer Teil des Summanden in der geschweiften Klammer, ) kann, ebenso wie die senkrechte Komponente (hinterer Teil, ) separat berechnet werden. Während die Intensität der parallel polarisierten SR von ihrem Maximum in der Bahnebene bei Emission unter einem Winkel stark abfällt, zeigt die senkrecht polarisierte Komponente zwei symetrisch zur Bahnehene liegende Maxima und eine verschwindende Intensität in der Elektronenbahnebene [Abb. 7d]. Die insgesamt abgestrahlte spektrale Verteilung wird von der parallel polarisierten Komponente dominiert, der genaue Polarisationsgrad der SR in einem Raumwinkelsegment ist von dessen vertikaler Lage und Größe abhängig. Die in der Beschleunigerebene abgestrahlte SR ist für die ideal angenommenen Verhältnisse vollständig parallel polarisiert.

 
Abb. 7a (oben): normierte Intensität der SR für die Emissionswinkel 0.mrad und 0.1mrad, aufgetragen gegen die Photonenenergie.
Abb. 7b (mitte links): Winkelverteilung der SR bei 5 keV und bei 25 keV Photonenenergie
Abb. 7c (mitte rechts): Abhängigkeit der natürlichen Strahlungsdivergenz (HWHM) der SR-Strahlung von der Photonenenergie.
Abb. 7d (unten): Winkelverteilung der SR bei 10KeV für die parallel und die senkrecht polarisierte Komponente
Die Berechnungen sind für eine ideale Elektronenverteilung mit der Elektronenenergie E = 2.30GeV und dem Krümmungsradius der Elektronenbahn R = 10.88m durchgeführt.

Die Berechnung der spektralen Verteilung hinter einer, in einem Abstand zum Quellvolumen stehenden vertikalen Blende erfolgt durch Integration der Lippmann-Schwinger Gl. über den vertikalen Emissionswinkel. Hierbei trägt nur der Teil der insgesamt emittierten Strahlung zur spektralen Verteilung hinter der Blende bei, der die Bedingungen dieser geometrischen Einschränkung erfüllt. Die Grenzen und für die Integration über den vertikalen Emissionswinkel in Gl. 2 sind durch den Abstand der Blende vom Quellvolumen, die vertikale Blendenposition und die vertikale Blendengröße bestimmt.

Die Elektronen in einem Beschleuniger erscheinen i.a. nicht alle genau auf ihrer Sollbahn, sondern mit einer Ablage ( Offset ) von der Sollebene und unter einem Winkel ( Divergenz ) zu dieser. Die von einem Quellvolumen abgestrahlte spektrale Verteilung ergibt sich als Überlagerung der Strahlung aller Elektronen mit individuellem Offset und individueller Divergenz. Die spektrale Verteilung des insgesamt abgestrahlten Spektrums wird hierdurch nicht beeinflußt, aber das SR-Spektrum hinter einer vertikalen Blende ist von der Position und der Flugrichtung der Elektronen senkrecht zur Beschleunigerebene abhängig. Da die vertikale Blende, je nach Position und Flugrichtung der Elektronen für diese unter verschiedenen Winkeln erscheint, wird die vert. Elektronenverteilung und die vert. Elektronendivergenz mit der spektralen Verteilung der SR hinter der Blende gekoppelt. Die Lippmann-Schwinger Gl. muß aber nicht über die vert. Elektronenverteilung und -divergenz getrennt integriert werden, sondern beide Strahleigenschaften können durch eine effektive vertikale Elektronenverteilung , die beide Effekte berücksichtigt, zusammengefaßt werden [Spe90, Pan91]. Unmittelbar hinter einer festen vertikalen Blende kann wegen der kleinen Emissionswinkel der SR im betrachteten Bereich (< 1 mrad) nämlich nicht zwischen den Auswirkungen der vert. Elektronenverteilung und der vert. Elektronendivergenz auf die spektrale Verteilung der SR unterschieden werden. Unter der Annahme einer effektiven vertikalen Elektronenverteilung vereinfacht sich die Berechnung der spektralen Verteilung zu :

Während die separate Bestimmung von vert. Elektronenverteilung und vert. Elektronendivergenz im Quellvolumen nur schwierig durchführbar ist, läßt sich die effektive vertikale Elektronenverteilung einfach aus der Abrasterung des vertikalen Intensitätsprofils bei bekanntem Abstand Quellvolumen - Blende und definierter Photonenenergie errechnen. Das gemessene Intensitätsprofil muß sich möglichst gut aus der Faltung der, nach der Lippmann-Schwinger Gl. berechneten, idealen Winkelverteilung der SR mit der angenommenen eff. vert. Elektronenverteilung ergeben.



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