Vorstellung einer Methode zur Festkörperuntersuchung

Transkript

1 Synchrotron-Strahlung Vorstellung einer Methode zur Festkörperuntersuchung Dennis Aulich & Daniel Schmidt Technische Universität Berlin FAKULTÄT II, Mathematik und Naturwissenschaften Synchrotron-Strahlung p.1/26

2 Inhalt Erzeugung Eigenschaften Undulatoren und Wiggler Komponenten eine Synchrotrons Optische Komponenten Monochromatoren Anwendung Experiementierverfahren Energiebanduntersuchung Synchrotron-Strahlung p.2/26

3 Erzeugung der Synchrotronstrahlung Beschleunigte Ladungen strahlen (z.b. Röntgenbremsstrahlung) v c v = 2, km/s c E 1,7GeV Synchrotron-Strahlung p.3/26

4 Geschichte 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 Synchrotron-Strahlung p.4/26

5 Vorteile der Synchrotronstrahlung Kontinuierliches Spektrum von IR bis harter Röntgenstrahlung Hohe Intensität Hohe Brillianz (Photonenfluss pro Raumeinheit) Zeitstruktur Polarisation exakt berechenbar und -steuerbar Synchrotron-Strahlung p.5/26

6 Komponenten eines Synchrotrons 1. Vakuum-System 2. Injektions- und Beschleunigungssystem 3. Hochfrequenz-Resonator 4. Ablenk- und Fokussiermagnete 5. Strahlungserzeugung 6. Kontrollsystem 7. Strahlenschutz 8. Beam-Line Synchrotron-Strahlung p.6/26

7 Das Injektions- und Beschleunigungssystem Glühkathode Linearbeschleuniger Synchrotron 100 kev 50 MeV 1,7 GeV Synchrotron-Strahlung p.7/26

8 Erzeugung der Synchrotronstrahlung Durch Ablenkmagnet kritische Wellenlänge λ C = 4π 3γ 3 γ = E kin E 0 Ablenkradius Energieverhältnis kürzere Wellenlänge durch Wellenlängenschieber (Shifter) hv e Synchrotron-Strahlung p.8/26

9 Undulatoren und Wiggler Synchrotron-Strahlung p.9/26

10 Undulatoren und Wiggler Synchrotron-Strahlung p.10/26

11 Undulatoren und Wiggler (insertion devices) Unterscheidung durch Undulatorparameters K = λ UeB 2πm 0 c Θ = K λ Undulator K 1, Θ 1 γ n 2 -fache Intensität Wiggler K > 1, Θ > 1 γ 2n-fache Intensität Synchrotron-Strahlung p.11/26

12 Nachbeschleunigungssystem (Hochfrequenzresonator) Abgestrahlte Energie pro Elektron und Umlauf: E = e2 γ 4 3ε 0 r 0 Rückführung von Energie Resonatorfrequenz Einteilung der Elektronen in Bunches Frequenz 500 Mhz Länge eines Bunches 10cm = 0,02 ns Synchrotron-Strahlung p.12/26

13 Strahlfokussierung Lorentzkraft Elektrische und Magnetische Quadrupole Synchrotron-Strahlung p.13/26

14 Synchrotron-Strahlung Synchrotron-Strahlung p.14/26

15 Optische Komponenten (beamline) M 100M Energie [ev] Gitterchromatoren PGM SGM TGM Kristallchromatoren KMC 2 Synchrotron-Strahlung p.15/26

16 Synchrotron im EM-Spektrum Synchrotron-Strahlung p.16/26

17 Probleme bei Strahlführung Absorptionslänge steigt mit Energie A[mm] Reflektivität R[%] sinkt ab kritischen Winkel A[mm] 10 0,8 R 0.1 0, E[keV]ab 30 ev: streifender (flacher) Winkel beamline anpassen 0 E kin Au=8keV 6 Θ c 12 θ C 100 ev 10 1 kev 1 10 kev 0,1 Θ Synchrotron-Strahlung p.17/26

18 Gittermonochromatoren Leitlinien: wenig Flächen wenig bewegliche Teile Spalten ortsfest horizontaler Strahlenverlauf Parameter: Abstand d der Strukturen (groß gegen Wellenlänge) Anzahl der Strukturen Profilform Gesalt: eben, sphärisch, unsphärisch, konkav Synchrotron-Strahlung p.18/26

19 Kristallmonochromatoren Prinzip der Bragg-Reflexion Θ 2dsin Θ = λ Auflösung d Probleme sehr genau Produktion nötig Sekundäremission bei schweren Elementen E E = λ λ = ΘcotΘ Methode Energiebereich Auflösung Kristalle KMC-2 2, kek E = 2,5 ev Si(111) symmetrisch und Si(111) asymmetrisch Synchrotron-Strahlung p.19/26

20 Einsatz in den Wissenschaften Biologie Radiometrie Lithographie Chemie Radiometrie Atomphysik Festkörperphysik Magnetische Untersuchungen Blutzellen untersuchen Kalibrierung von Meßgeräten Miniaturantriebe Sauerstoffgehalt in Trinkwasser Röntgenastronomie Doppelionisation von Helium Cu,In,Ga,Se-Dünnschicht-Solarzellen Nanostrukturen für Datenspeicherung Synchrotron-Strahlung p.20/26

21 Experimentelle Verfahren Photoelektronen-Spektroskopie Röntgenspektroskopie Röntgenfluoreszenzspektroskopie EUV-Lithographie Synchrotron-Strahlung p.21/26

22 Photoelektronenspektroskopie Minimum der freien Weglänge a[å] Synchrotron-Strahlung p.22/26

23 Energiebanduntersuchunmg Synchrotron-Strahlung p.23/26

24 Forschungsorte Synchrotron-Strahlung p.24/26

25 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 Syn * Syn = 1 Photonen sec mm 2 mrad 2 1%Spektr.Bandbr. Synchrotron-Strahlung p.25/26

26 Literatur Giorgio Margaritondo, Synchrotron Radiation,New Oxford University Press, Stand 2002 Demtröder, Experimentalphysik IV, 1998 Christian Schultz, CdS/InP-Grenzfläche, 1998 Synchrotron-Strahlung p.26/26