Synchrotron- und Laserstrahlung

Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann

Der Artikel Synchrotron- und Laserstrahlung basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Moritz Schubotz des 17.Kapitels (Abschnitt 0) der Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann.

Synchrotron- und Laserstrahlung	Synchrotron- und Laserstrahlung
		Kernphysik Einleitung Abschirmung radioaktiver Strahlung Alpha-Zerfall Beta-Zerfall Gamma-Zerfall Neutrinoexperimente Paritätsverletzung beim beta-Zerfall Schwache Zerfälle von Pionen und Myonen Synchrotron- und Laserstrahlung Kernradien Bindungsenergien Tröpfchenmodell, Weizsäckersche Massenformel Kerndrehimpulse und elektromagnetische Kernmomente Messung von Kernmomenten Das Schalenmodell des Kerns Kernkräfte Kernzerfälle, Strahlenschutz

Die Abfrage enthält eine leere Bedingung.

Wichtigste experimentelle Entwicklungen der letzten 20 Jahre: Speicherringe (Hochenergiephysik) und Laser.

Synchrotronstrahlung

Maxwell-GI., retardierte Potentiale (Relat.theorie) - Schwinger-Gleichungen

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z.B. 800 MeV, R ~ 1,8 m (BESSY)

Spektral verteilung der Strahlung

kritische Wellenlänge Ac 41fR ~ 3')'3 ' BESSY: R ~ 1,8 m, E "'" 800 MeV ~')' "'" 1600 : Ac IY 2 nm

Vertikale Divergenz a:

a oe 2 ( A) 1/3 A ~ Ac 'FiX;; z.B. A = 100 runl\)ra ~ 1,5 mrad

Zeitstruktur:

Im Multi-bunch-Betrieb ca. 100 bunches (1 ~ 3 cm) im Ring von 1 = 60 mund 500 MHz HF-Sender: 100 ps-Pulse mit 2 ns-Abstand (Umlaufzeit 200 ns)

Laser

Grundgleichungen

Lasertypen:

• Gaslaser: He-Ne, Edelgasionen-Laser (CW), N₂-, Excimer-Laser (gepulst)
• Festkörper: Nd:YAG-, Rubin-, Halbleiter-Laser
• Flüssigkeit: Farbstofflaser

Bestimmende Größen:

Wellenlänge

$\lambda$,

Schärfe

$d\lambda$,

Abstimmbereich

$\Delta \lambda$,

Divergenz

$d\Omega$,

Leistung

L

Bei Pulsbetrieb:

Pulsbreite

$\Delta t$,

Pulsenergie

E,

Repetitionsrate

Grundgleichungen:

Im thermodynamischen Gleichgewicht : AZ1Nz + BZ1 op(1)oNz = B 1Z P(y)oN 1 mit Boltzmann Nz/N1 = gz/gzoeJllp(-- 'n uf kT) verwenden, nach p(y) auflösen und mit Planckschem Strahlungsgesetz vergleichen, ergibt a) gloBIZ = gz oBZ1 ~ Besetzungsinversion notwendig = BZlo8~ h y3 ~ y3-Zunahme .der störenden c Spontanemission (siehe ,:Rö,;tgenlaserentwicklung)

pumpschema 4-Niveau pumpen Einige Lasertypen: - 63 - Laser Relax. Edelgasionenlaser z. B. Ar+- Laser

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CW, sichtbar (450 - 550 run) z.B. 3p44p 4D5 / Z-3p44s ZP 3/Z A = 514,5 run 488,0 457,9 etc. Betrieb z. B. 40 A/600 V ~ 24 kVV Xe * Cl XeCl 20 W all-Hne (0,1% Wirkungsgrad)

Excimerlaser z. B. XeCl V CW, sichtbar (450 - 550 run) z.B. 3p44p 4D5 / Z-3p44s ZP 3/Z A = 514,5 run 488,0 457,9 etc. Betrieb z. B. 40 A/600 V ~ 24 kVV Xe * Cl XeCl 20 W all-Hne (0,1% Wirkungsgrad) gepulst, UV 351 - 353 run 1 - 2 bar He Puffergas, 1 - 10% Xe, 0,2 % HCl, Pulslängen 5 - 15 ns, Repetitionsrate ~ 100 Hz - , 1 kHz Impulsenergie ~ J puls-LeIstung 1J/10 ns = 100 MW (Dauerleistung ~ 1 - 100 W)

Nd: YAG-Laser Blitzlicht Farbstofflaser i-??5-'-VEinmodenlaser ( L Resonator ~ ) L >. f - 6.4 - u fiT +0,7% Nd: Nd3+ 4d10 4f3 ss2 sp6 4f-Schale durch ss, sp abgeschirmt, Kristallfeldenfluß deshalb relativ gering

L >. f - 6.4 - u fiT +0,7% Nd: Nd3+ 4d10 4f3 ss2 sp6 4f-Schale durch ss, sp abgeschirmt, Kristallfeldenfluß deshalb relativ gering 0 i > Pumplicht = m0>. 7 = 2L c com ro' v = X = 2L (longitudinaler) Modenabstand d>' = 2L dv = c 2L (dv z. B. L :;:;: 1 m~dv z. B. A :;:;: 500 nm 3 0 108m/s = 2m = 150 MHz 2s010-14m2 3 0 108m/s 01,sol08/S = 1,2s010-13m = 0,125 pm = 1,25010-3 AO

Verstärkerprofil z. B. Dopplerbreite, Druckverbreiterung, Stöße Exp. /' Wo b.Ao V' Dopplerbreite v = -X-~ C 30108 z. B. >. = 500 nm bzw. v = cl>' = Schubotz Hz = 5010-7 b.Ao ~ 5010-13 m = 0,5 pm Wo ~ 60108 Hz = 600 MHz

z. B. >. = 500 nm bzw. v = cl>' = Schubotz Hz = 5010-7 b.Ao ~ 5010-13 m = 0,5 pm Wo ~ 60108 Hz = 600 MHz Beispiele: HeNe Ar+ Farbstoff 1500 MHz 8000 MHz 103 GHz (starke Stoßverbreiterung) Einmodenlaser: Stufenweise Einschränkung durch verschiedene optische Filter (Lyot, Etalons) Exp. Anforderungen bei gewünschter Linienbreite dVLaser ~ 1 MHz z. B. >. = 500 nm r._v = 601014 Hz dv /v = 1 6010-9 V Laser' d. h. Resonatorst~bilität dL/L ~ 10-9 (bei L = 1 m dL ~ 1 nm) z. B. Temperaturstabilität: dL/L = aodT r.v dT ~ 10-3 K 't- Invar z. B. 10-6/K Druckabhängigkeit: statt L eigentlich ~ noL n Brechungsindex der Luft n = n(p) ~ 1,0003 ... dL/L = (n-1) dp/po = für p = Po = 1 bar 3 010-40dp/po n; dp " 3010-6 bar " 3010-3 rnbar