Röntgenröhren, Laser-Plasma-Quellen, HHG Quellen Flashcards
Beschreiben Sie kurz den Aufbau einer Röntgenröhre und die Grundlegenden Prinzipien.
1) Elektronen aus Glühkathode gelöst
2) Durch ein E-Feld beschleunigt
3) Elektronen treffen schlagartig auf (Dreh)Anode (verhindert Überhitzung)
3. 1) Bremsstrahlung durch Coulomb WW mit Kern -> Dipolstrahlung (hyperbolische Kurve)
3. 2) Charakteristische Strahlung durch Röntgenfluoreszenz (Elektronlöcher durch Stoßionisation entstanden)
Wovon hängt die maximale Photonenenergie ab?
Wovon die Bremsstrahlung?
1) Von der Beschleunigungsspannung
(wenn 50kV Spannung, dann maximal 50keV Strahlung)
2) Bremsstrahlung hängt von Ordnungszahl und maximaler Energie ab
Wie kann bei der Röntgenröhre eine Überhitzung des Anodenmaterials verhindert werden? Was ist der Vorteil?
1) Drehanode
2) “Liquid metal jet target source”
- Anodenmaterial “fließt” durchgängig und wird von Elektronen beschossen
- kein Problem mit Überhitzung
- > Mehr Intensität
Beschreiben Sie kurz den Aufbau von Laser Plasma Quellen und die Funktionsweise.
- Fokussierte Laserplus (ps-fs) erzeugt Plasma
(hohe Intensitäten 1013 bis 1016 W/cm2)
- u.a. auch Röntgenstrahlung
Emission abhängig von: Laserparametern, Fokussierung, Targetparametern
- Targetkonzepte: Festkörper, Flüssigkeitsjet oder Cluster/Gaswolke
Was ist ein Plasma?
- Vielteilchensystem aus Ionen & Elektronen, welches nach außen elektrisch neutral ist
- Debyelänge (λd) wesentlich kleiner als makroskopische Ausdehnung
Debyelänge:
= Länge, welche ein frei bewegliche Ladungsgträger abschirmt
(durch entgegengesetzter Ladungsträger)
- Abhängig von Temperatur & Ladungszahl des Ions
- Auf Größenskalen kleiner λd -> WW Teilchen untereinander entscheidend
- Größenskalen größer λd -> kollektive Phänomene beschreiben Plasma
Wodurch kann das Plasma beschrieben werden?
Welche wichtigen WW gibt es?
Wie entsteht es?
- Vlasov Formeln und Maxwell Gleichungen
Oft: Zwei-Flüssigkeiten Modell (Elektronen und Ionen getrennt betrachtet)
Wechselwirkungen:
- Teilchen-Teilchen
- Welle-Teilchen
- Welle-Welle
- Dichte und Temperatur
Entstehung:
- Multiphotonenionisation
- Tunnelionisation
Welche Wechselwirkungsbereiche gibt es zwischen Laser und Plasma?
nc: kritische Elektronendichte
ne: Anzahl Elektronen
ω: Frequenz Laser
ωp: Plasma Frequenz
ne < nc: (unterdichtes Plasma)
Aufheizzone durch Stoßabsorption (Inverse Bremsstrahlung)
ne > nc; ω = ωp: Resonanz
-> Refelexion des Lasers -> Emission weicher Röntgenstrahlung
(Plasma so dicht, dass Laser wie an Oberfläche reflektiert wird)
ne > nc; ω > ωp:
- Harte Röntgenstrahlung durch Stoßprozesse
- Bei Aufheizung dehnt sich Gas aus -> Elektrondichte nimmt ab
- Bei genügen hoher Elektronen-Temperatur und -Dichte ist weiche & harte Röntgenstrahlung möglich
Wie ändert sich die Emission des Plasmas bei hohen Elektronentemperaturen?
1) Intensität erhöht (Stefan Boltzmann-Gesetz I ~ T4)
2) Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen
Welche Emissionen treten bei Plasma-Quellen auf?
1) Strahlung aus “heißen” Plasma
- thermische Strahlung
- Linnienstrahlung aus hochangeregten Ionen
- > Weiche Röntgenstrahlung
2) Sekundärstrahlung durch WW der Elektronen mit Material
- Bremsstrahlung
- charakteristische Linienstrahlung (Innerschalenionisation)
- Rekombinationsstrahlung: Freie Elektronen rekombinieren mit Ionen
- > Harte Röntgenstrahlung
Wie ergibt sich die Konversionseffizienz einer Laser Plasma Quelle?
η = EX-Ray / ELaser ≈ h*f / Emin
Mindestenergie ergibt sich aus:
1) Summe der Ionisationspotentiale
2) Energie aller mögliche Emissions-Übergänge des Ions
(Gewichtungsfaktor berücksichtigt relative Intensitäten der Spektrallinien)
3) Enerige um Ionen und Elektronen auf bestimmte Temperatur zu bringen
Was wird für HHG Quellen benötigt?
- Kohärente Laserquelle (Infrarot)
- Ultrakurze Pulse (fs-as) mit kleiner Wellenlänge
- Vakuum Kammer mit “(Edel)Gasjet”
Beschreiben Sie in einigen Schritten den Prozess zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels HHG Quellen.
1) Kohärenter, intensiver Laserpuls löst Elektron aus dem Atom
2) Elektron wird im E-Feld das Lasers beschleunigt
3) Elektron rekombiniert mit Atom (Ion) in kurzer Zeit
- > Emission von hochenergetischen Photonen
4) Prozess involviert viele Elektronen die simultan Photonen in Phase emittieren
- > N2-Effekt (N ist Anzahl der Rekombinationsereignisse)
5) Räumliche Kohärenz des Lasers wird effektiv auf EUV/SXR Strahlung transferiert
6) Pro Laserpuls findet der Prozess zwei mal statt, mit definierten Phasen
- > Nur ungerade harmonische Emission
(Zwei mal Elektron ausgelöst und rekombiniert)
Wie kommt es bei HHG Quellen im Detail zur Emission (“Three Step HHG Model”)?
1) Valenzelektron kann mittels intensiven Laserfelds durch die Potential-barriere des Atoms tunneln
2) Beschleunigung des Elektrons im E-Feld des Lasers und Rückkehr zum Atom nach Feldumkehrung (Rekombination)
3) Rekombination gefolgt von Emission eines Photons, dessen Energie der Bindungsenergie + der kinetischen kinetischen Enerige entspricht
(Emission der Strahlung im kleineren Winkel als einfallendes IR-Licht)
Wie berechnet sich die cut-off Energie bei HHG Quellen?
- Kinetische Energie + Bindungsenergie
genauer:
h*fmax = 3,17*UP + IP
(UP: ponderomotive energy = kinetische Enerige)
(IP: Ionisationspotential = Bindungsenergie)
Wie sieht ein klassisches HHG Spektrum aus?
X-Achse: Ordnung der Harmonischen
Y-Achse: Effizienz der Energiekonversion (umwandlung)
Welche möglichen Elektronen Trajektorien gibt es bei HHG Quellen?
1) : Elektron entsteht bevor die E-Feld Amplitude maximal ist
- > Elektron rekombiniert nie
2) : Elektron entsteht genau bei maximale Amplitude
- > Elektron hat keine kinetische Energie bei Rekombination
3) : Elektron entsteht nach der maximalen Amplitude
- > Elektron hat kinetische Enerige
(gibt bei zwei Phasen maximale Energie)
