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Dokumentenidentifikation DE202006017713U1 08.03.2007
Titel Strahlanalysesystem für eine Beschleunigeranlage
Anmelder Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 22607 Hamburg, DE
Vertreter Uexküll & Stolberg, 22607 Hamburg
DE-Aktenzeichen 202006017713
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 08.03.2007
Registration date 01.02.2007
Application date from patent application 16.11.2006
IPC-Hauptklasse G01T 1/29(2006.01)A, F, I, 20061116, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahlanalysesystem für eine Beschleunigeranlage, die einen gepulsten Teilchenstrahl erzeugt.

Bei Beschleunigeranlagen, bei denen ein gepulster Strahl verwendet wird, ist die genaue Bestimmung der zeitlichen und räumlichen Lage eines Stahlpulses sowie die Bestimmung der Energie der Strahlpulse von großer Bedeutung. Beispielsweise wird bei einem Freie-Elektronen-Laser ein gepulster Elektronenstrahl verwendet, um in einem am Ende des Strahlgangs angeordneten so genannten Undulator Pulse von kohärentem Licht zu erzeugen. Dazu wird der Elektronenstrahl in dem Undulator durch Magnetfelder auf eine sinusförmige Bahn gelenkt, so dass kohärentes Licht im Wesentlichen in Vorwärtsrichtung des Elektronenstrahls abgestrahlt wird. Aufgrund des gepulsten Elektronenstrahls ist dieses kohärente Licht ebenfalls gepulst.

Bei Experimenten an Freie-Elektronen-Lasern wird dieser pulsförmige Verlauf beispielsweise dazu genutzt, Messungen an angeregten Zuständen von Atomen oder Molekülen durchzuführen, wobei die angeregten Zustände zunächst durch einen Puls eines Anregungslasers erzeugt werden. Bei derartigen Experimenten wird die Zeit zwischen dem Anregungspuls einerseits und dem Puls der Strahlung des Freie-Elektronen-Lasers andererseits gezielt verändert, um so Eigenschaften, wie beispielsweise Zerfallszeiten, der angeregten Zustände bestimmen zu können.

Daraus ergibt sich, dass es für derartige Experimente von großer Bedeutung ist, die genaue zeitliche Lage der Strahlpulse relativ zu einem gepulsten Referenzsignal zu kennen, wobei als Referenzsignal ein gepulster Laserstrahl verwendet werden kann.

Daneben ist auch die räumliche Lage des Teilchenstrahls von Interesse, da innerhalb bestimmter Sektionen des Beschleunigers eine Änderung der transversalen Position einer Energieänderung entspricht. Eine genaue Energiemessung des Teilchenstrahls kann daher in diesen Sektionen durch eine präzise Messung der transversalen Position des Teilchenstrahls durchgeführt werden.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Bestimmung der zeitlichen Lage des Strahlpulses eine Antenne im Strahlrohrabschnitt zu verwenden, wobei die Antenne beispielsweise als eine ringförmige Elektrode ausgebildet ist und der Strahl durch den Ring hindurch tritt. Durch den Strahlpuls wird ein Spannungspuls in der Antenne erzeugt, der z.B. durch einen Bandpassfilter geleitet und anschließend verstärkt wird. Das verstärkte Signal wird mit einem Referenzsignal in einem HF-Mischer auf eine niedrigere Frequenz gemischt. Aus dem niederfrequenten Signal werden dann die Phaseninformationen extrahiert.

Nachteilig an einer derartigen Einrichtung ist, dass das gemischte Ausgangsignal u.a. dadurch beeinflusst werden kann, dass sich die Frequenz oder die Phase des Referenzsignals ändert, also ein Drift im Referenzsignal auftritt, was wiederum dazu führt, dass sich das ausgegebene Signal unabhängig von der zeitlichen Lage des Strahlpulses ändert. Dadurch, dass nur ein schmales Frequenzband des Signals der Elektrode ausgewertet wird, sind die Signalpegel außerdem niedrig, was die Auflösung dieser Methode begrenzt.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strahlanalyseeinrichtung bereitzustellen, mit der die zeitliche und räumliche Lage eines Strahlpulses sowie dessen Energie mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Strahlanalysesystem gelöst mit einer Elektrodenanordnung, die in einem Strahlrohrabschnitt angeordnet ist, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls, mit einem ersten elektro-optischen Modulator und mit einem ersten Photodetektor, wobei der optische Eingang des ersten elektro-optischen Modulators mit der Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls verbunden ist, wobei der optische Ausgang des ersten elektro-optischen Modulators mit dem Photodetektor verbunden ist und wobei der Signaleingang des ersten elektro-optischen Modulators mit der Elektrodenanordnung verbunden ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Strahlrohrabschnitt" ein im Allgemeinen unter Vakuum stehender Bereich verstanden, durch den der Strahlpuls des Teilchenstrahls geführt wird. Hierbei kann es sich um einen gewöhnlichen Strahlrohrabschnitt handeln oder um einen Hohlraumresonator des Beschleunigungsbereichs. Des Weiteren wird unter einem Photodetektor im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Element verstanden, das beim Auftreffen eines Lichtpulses ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Stärke der Intensität des Lichtpulses entspricht. Hierbei kann z.B. eine Photodiode, ein Phototransistor oder ein Photomultiplier verwendet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen System wird ausgenutzt, dass ein von der Elektrodenanordnung insbesondere beim Passieren eines Strahlpulses erzeugter Spannungspuls dazu verwendet wird, in dem ersten elektro-optischen Modulator die Intensität eines oder mehrerer Pulse des gepulsten Referenz-Laserstrahls zu modulieren. Sofern der Spannungspuls der Elektrodenanordnung einen Referenzpunkt wie einen Nulldurchgang hat, der in einem Bereich des Pulses liegt, wo die Spannung stark ansteigt, kann aus der veränderten Intensität des Referenz-Laserpulses die zeitliche Lage des Referenzpunktes relativ zu dem Referenz-Laserpuls bestimmt werden.

Allgemein kann somit das folgende Verfahren zur Erfassung der zeitlichen Lage eines gepulsten Strahls relativ zu einem Referenzsignal durchgeführt werden. Als Referenzsignal wird ein gepulster Referenz-Laserstrahl verwendet, der wiederum in eine Modulationseinrichtung geleitet wird. Der Modulationseinrichtung wird als Steuersignal ferner ein Spannungspuls einer in einem Strahlrohrabschnitt angeordneten Elektrodenanordnung zugeführt, wobei der Spannungspuls dann erzeugt wird, wenn ein Strahlpuls die Elektrodenanordnung passiert. Die Modulationseinrichtung verändert die Intensität der Pulse des Referenz-Laserstrahls in Abhängigkeit von der Phasenlage der Spannungspulse relativ zu den Laserpulsen, sodass die Intensität der Laserpulse ein Maß für die relative Phasenlage ist.

Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass dann, wenn der gepulste Referenz-Laserstrahl dazu verwendet wird, die gesamte Beschleunigeranlage zu synchronisieren, dieses zur Synchronisation verwendete optische Signal unmittelbar zur Bestimmung der zeitlichen Lage des Strahlpulses verwendet werden kann.

Außerdem erlaubt das erfindungsgemäße Strahlanalysesystem, beispielsweise die Ankunftszeit eines Strahlpulses relativ zu dem Referenzsignal mit einer im Vergleich zum Stand der Technik deutlich besseren Auflösung zu messen. Hierbei werden Auflösungen von bis zu 10 fs erreicht.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen die Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls und dem optischen Eingang des ersten elektrooptischen Modulators eine erste Verzögerungseinrichtung zum Einstellen einer Verzögerungszeit für den gepulsten Laserstrahl geschaltet. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass das System so an den von der Elektrodenanordnung erzeugten Spannungspuls angepasst werden kann, dass in dem Fall, wo der Strahlpuls die gewünschte Phasenlage zu dem Referenz-Laserpuls hat, in dem elektro-optischen Modulator ein Nulldurchgang des Spannungspulses zeitlich mit einem Laserpuls zusammenfällt.

In bevorzugter Weise wird der elektro-optische Modulator so eingestellt, dass die Intensität des von dem Modulator ausgegebenen Laserpulses auf einen bestimmten voreingestellten Pegel abgesenkt wird, wenn die Spannung am Signaleingang Null ist, und gegenüber diesem voreingestellten Pegel erhöht oder abgesenkt wird abhängig von der anliegenden Spannung.

Dadurch verursacht eine Abweichung von der gewünschten Phasenlage eine Veränderung der Intensität am optischen Ausgang des elektro-optischen Modulators gegenüber dem voreingestellten Pegel, wobei diese Veränderung unmittelbar ein Maß für die Phasenverschiebung ist.

Wenn das erfindungsgemäße System dazu dienen soll, die Ankunftszeit eines Stahlpulses zu erfassen, weist die Elektrodenanordnung vorzugsweise einen ringförmigen Halter und Elektrodenelemente auf, wobei die Elektrodenelemente gegenüber dem Halter elektrisch isoliert sind. Ferner sind in dem ringförmigen Halter radiale Bohrungen vorgesehen, wobei die Elektrodenelemente als in den Bohrungen verlaufende Stifte ausgebildet sind und wobei der dem Strahl zugewandte Abschnitt der Stifte einen im wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist. Schließlich sind die Stifte durch Isolierbuchsen in den Bohrungen gehalten.

Eine derartige Anordnung stellt sicher, dass der von der Elektrodenanordnung ausgegebene Spannungspuls um den Nulldurchgang einen Bereich hat, der monoton steigend ist und daneben eine hohe Steigung aufweist. Letzteres hat den Vorteil, dass schon bei einer kleinen Phasenverschiebung eine Intensitätsänderung des am Ausgang des elektro-optischen Modulators austretenden Laserpulses gegenüber dem voreingestellten Pegel auftritt. Damit kann mit dem erfindungsgemäßen System eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Phasenverschiebung erreicht werden.

Alternativ zu der zuvor erwähnten Erfassung des Ankunftszeitpunktes kann das erfindungsgemäße System auch dazu verwendet werden, in einem Strahlrohrabschnitt die Lage des Strahlpulses senkrecht zur Strahlrichtung zu bestimmen. Dabei weist die Elektrodenanordnung ein sich quer zur Richtung der Strahlpulses erstreckendes Elektrodenelement mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf. Des Weiteren sind ein zweiter elektrooptischer Modulator und ein zweiter Photodetektor vorgesehen, wobei der optische Eingang des zweiten elektro-optischen Modulators mit der Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls verbunden ist und der optische Ausgang des zweiten elektro-optischen Modulators mit dem zweiten Photodetektor verbunden ist. Schließlich ist das erste Ende des Elektrodenelements mit dem Signaleingang des ersten elektrooptischen Modulators verbunden, und das zweite Ende ist mit dem Signaleingang des zweiten elektro-optischen Modulators verbunden.

In weiter bevorzugter Weise ist zwischen die Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls und dem optischen Eingang des zweiten elektro-optischen Modulators eine zweite Verzögerungseinrichtung zum Einstellen einer Verzögerungszeit für den gepulsten Laserstrahl geschaltet. Dies ermöglicht, wie bereits bei der Bestimmung der Ankunftszeit, die Lage der Laserpulse relativ zu den von der Elektrodenanordnung ausgegebenen Spannungspulsen einzustellen.

Zur Bestimmung der Lage der Strahlpulse senkrecht zur Strahlrichtung wird mit dem erfindungsgemäßen System wie folgt vorgegangen.

An beiden Enden des Elektrodenelements wird ein Spannungspuls ausgegeben, wenn ein Strahlpuls die Elektrodenanordnung passiert. Auch bei dieser Elektrodenanordnung weisen die Spannungspulse einen Nulldurchgang und einen monoton steigenden Bereich um den Nulldurchgang auf. Das System kann so eingestellt werden, dass in beiden elektro-optischen Modulatoren der Nulldurchgang zeitlich mit einem Referenz-Laserpuls zusammenfällt, wenn der Strahlpuls den Strahlrohrabschnitt bei einer transversalen Referenzposition in longitudinaler Richtung durchläuft. In diesem Fall wird die Intensität des Laserpulses in den beiden Modulatoren gegenüber dem voreingestellten Pegel nicht verändert.

Durchläuft der Strahlpuls den Strahlrohrabschnitt jedoch bei einer anderen transversalen Position in longitudinaler Richtung, fallen die Nulldurchgänge nicht mehr mit dem Referenz-Laserpuls zusammen, da die an den Enden ausgegebenen Spannungspulse zeitlich gegenüber denen verschoben sind, die erzeugt werden, wenn der Strahlpuls den Strahlrohrabschnitt bei der Referenzposition durchläuft. Diese zeitliche Verschiebung der Spannungspulse führt wiederum dazu, dass die Laserpulse in dem elektro-optischen Modulator nun in der Intensität gegenüber dem voreingestellten Pegel moduliert werden, wobei diese Änderung der Intensität ein Maß für die Abweichung der transversalen Position des Strahlpulses von der Referenzposition ist.

Dabei können die erste und zweite Verzögerungseinrichtung dazu dienen, einerseits die transversale Referenzposition festzulegen. Andererseits dienen die Verzögerungseinrichtungen dazu, die Phasenlage der Strahlpulse relativ zum gepulsten Referenz-Laserstrahl in der Weise zu berücksichtigen, dass die Nulldurchgänge der Spannungssignale tatsächlich mit den Laserpulsen zusammenfallen, wenn der Strahl bei der transversalen Referenzposition den Strahlrohrabschnitt durchläuft. Es kann durch die Verzögerungseinrichtungen also auch eine mögliche Veränderung in der Phasenlage berücksichtigt werden.

Schließlich kann die Elektrodenanordnung auch in einem als Resonator ausgebildeten Strahlrohrabschnitt angeordnet sein. In diesem Fall kann das System dazu verwendet werden, die Phasenlage des Beschleunigungsfeldes in Bezug auf den gepulsten Referenz-Laserstrahl sowie die die Amplitude des Feldes zu bestimmen.

Beim Anbringen der Elektrodenanordnung in dem Resonator erfasst diese das Beschleunigungsfeld selbst, und an ihr kann ein Spannungssignal abgegriffen werden, das proportional zum Beschleunigungsfeld und insbesondere dessen zeitlichen Verlauf ist, und in den elektro-optischen Modulator gekoppelt werden.

Unter der Voraussetzung, dass die Frequenz des gepulsten Referenzsignals kein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Beschleunigsfeldes oder ein Bruchteil davon ist, trifft in dem elektro-optischen Modulator ein Laserpuls jeweils mit einer anderen Phasenlage in Bezug auf das Beschleunigungsfeld mit dem Spannungssignal zusammen. Auf diese Weise wird mit jedem Laserpuls ein anderer Punkt innerhalb der Wellenlänge des Beschleunigungsfeldes abgetastet, sodass die von dem Modulator ausgegebenen modulierten Intensitäten eine Information über Phase und die Amplitude des Beschleunigungsfeldes enthalten. Dabei kann man in dem Fall, wo die Frequenz des Referenzsignals unter der des Beschleunigungsfeldes liegt, dies auch als "undersampling" bezeichnen.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert, die lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellt. In der Zeichnung zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlanalysesystems,

2 eine vergrößerte Darstellung der im Ausführungsbeispiel aus 1 verwendeten Elektrodenanordnung,

3 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines von einer Elektrodenanordnung ausgegebenen Spannungspulses,

4 eine schematische Darstellung des verwendeten Messverfahrens,

5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlanalysesystems und

6 ein Schnitt entlang der Linie VI-VI in 5.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlanalysesystems 1, das an einem Strahlrohrabschnitt 3 einer Beschleunigeranlage angebracht ist, die einen gepulsten Teilchenstrahl erzeugt.

Das Strahlanalysesystem 1 umfasst eine Elektrodenanordnung 5, die in dem Strahlrohrabschnitt 3 angeordnet ist. Dabei ist die Elektrodenanordnung 5 derart ausgestaltet, dass ein Spannungspuls erzeugt wird, wenn die Elektrodenanordnung 5 von einem Strahlpuls passiert wird, der entlang der Strahlachse 7 durch den Strahlrohrabschnitt 3 läuft.

Die Elektrodenanordnung 5 hat in diesem Ausführungsbeispiel den in 2 gezeigten Aufbau. Die Elektrodenanordnung 5 weist dabei einen ringförmigen Halter 9 auf, der mit vier radialen Bohrungen 11 versehen ist. In den Bohrungen 11 sind Stifte 13 angeordnet, die als Elektrodenelemente dienen. Dabei sind die Stifte 13 zylindrisch ausgebildet und haben über ihre Länge einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser. Insbesondere ist der dem Strahl 7 zugewandte Abschnitt der Stifte 13 so ausgebildet, dass er einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser hat. Die Stifte 13 sind in den Bohrungen 11 durch Isolierbuchse 15 gehalten, sodass die Stifte 13 einerseits gegenüber dem Halter 9 und damit dem Strahlrohrabschnitt 3 elektrisch isoliert sind und andererseits vakuumdicht in dem Halter 9 eingelassen sind.

Auf diese Weise sind die als Stifte 13 ausgebildeten Elektrodenelemente auf der Innenfläche des ringförmigen Halters 9 angeordnet. Außerdem führt dieser Aufbau der Elektrodenanordnung 5 dazu, dass ein Spannungspuls erzeugt wird, wenn die Stifte 13 der Elektrodenanordnung 5 von einem Strahlpuls passiert werden, der entlang der Strahlachse 7 läuft.

Insbesondere ist die in 2 dargestellte Elektrodenanordnung 5 mit dem Vorteil verbunden, dass der Spannungspuls, der beim Passieren eines Strahlpulses erzeugt wird, den in 3 dargestellten Verlauf hat. Dabei weist der Spannungspuls einen Nulldurchgang 17 auf sowie einen Bereich um den Nulldurchgang 17 zwischen den Punkten 19 und 21, in dem das Signal monoton steigt ist und zwar mit einer vergleichsweise hohen Steigung.

Wie sich weiterhin aus der 1 ergibt, umfasst das Strahlanalysesystem 1 eine Einrichtung 23 zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls. Hierbei kann beispielsweise ein modengekoppelter Fiber-Laser verwendet werden. Diese Einrichtung 23 ist über einen optischen Leiter mit einer Verzögerungseinrichtung 25 verbunden, die dazu dient, eine Verzögerungszeit für den von der Einrichtung 23 bereitgestellten gepulsten Laserstrahl einstellen zu können. Die Verzögerungseinrichtung 25 kann dabei so aufgebaut sein, dass die optische Wegstrecke, die ein Laserpuls in der Verzögerungseinrichtung 25 zurücklegen muss, mechanisch variiert werden kann.

Der Verzögerungseinrichtung 25 ist wiederum ein elektrooptischer Modulator 27 nachgeschaltet, wobei die Verzögerungseinrichtung 25 mit dem optischen Eingang 29 des Modulators 27 verbunden ist. Der optische Ausgang 31 des Modulators 27 ist mit einem Photodetektor 33 verbunden, wobei in diesem Zusammenhang unter einem Photodetektor im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Element verstanden wird, das beim Auftreffen eines Lichtpulses ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Stärke der Intensität des Lichtpulses entspricht. Bevorzugter Weise werden als Photodetektoren InGaAs-Photodioden eingesetzt.

Schließlich sind die Stifte 13 der Elektrodenanordnung 5 mit dem Signaleingang 35 des elektro-optischen Modulators 27 verbunden, sodass der durch einen Strahlpuls erzeugte Spannungspuls zu einer Modulation der Intensität der von der Einrichtung 23 erzeugten Laserpulse führen kann.

Dem Photodetektor 33 ist noch eine Signalverarbeitungseinrichtung 37 nachgeschaltet, die beispielsweise als ein Analog-Digital-Konverter ausgebildet sein kann.

Das zuvor beschriebene Strahlanalysesystem 1 wird in folgender Weise zu Bestimmung der Ankunftszeit eines Strahlpulses an der Elektrodenanordnung 5 genutzt, wobei nun insbesondere auf die 3 und 4 Bezug genommen wird.

Die Einrichtung 23 erzeugt Laserpulse 39 mit einer Frequenz, die deutlich über der Frequenz liegt, mit der die Beschleunigeranlage Strahlpulse produziert. Dies ist aber nicht notwendig der Fall. Die Verzögerungseinrichtung 25 wird dabei zunächst so eingestellt, dass an dem elektro-optischen Modulator 27 ein Referenzpunkt wie einen Nulldurchgang 17 eines von einem Strahlpuls erzeugten Spannungspulses dann mit einem Laserpuls 39 zusammenfällt, wenn der Strahlpuls genau die gewünschte Phasenlage in Bezug auf das gepulste Referenz-Lasersignal hat.

In bevorzugter Weise wird der Modulator 27 so eingestellt, dass die an dem optischen Ausgang 31 ausgegebene Intensität des Laserpulses eine voreingestellten Pegel, beispielsweise 50% des Maximalpegels, hat, wenn an dem Signaleingang 35 eine Spannung von 0 Volt anliegt. Wenn jedoch eine positive oder negative Spannung anliegt, wird die Intensität gegenüber dem voreingestellten Pegel erhöht oder abgesenkt.

Damit führt eine solche Einstellung dazu, dass der in den optischen Eingang 29 des Modulators 27 eingehende Laserpuls nicht in seiner Intensität gegenüber dem voreingestellten Pegel verändert wird, wenn der Strahlpuls genau die gewünschte Phasenlage hat. Demnach werden die Laserpulse 39 am Photodetektor 33 mit unveränderter Intensität erfasst.

In dem Fall, dass ein Strahlpuls nicht die gewünschte Phasenlage hat, fällt der Nulldurchgang 17 des Spannungspulses nicht mit einem Laserpuls 39 zusammen. Vielmehr liegt der Laserpuls 39 in 3 gesehen entweder zwischen den Punkten 17 und 19 oder 17 und 21, wobei dies davon abhängt, ob der Strahlpuls zu früh an der Elektrodenanordnung 5 auftrifft oder zu spät.

In beiden Fällen wird die Intensität des Laserpulses 39 aufgrund der von Null abweichenden Spannung des Spannungssignals gegenüber dem voreingestellten Pegel verändert, wobei diese Veränderung von dem Photodetektor 33 erfasst und von der Signalverarbeitungseinrichtung 37 weiterverarbeitet wird. Dabei ist die Veränderung aufgrund des monoton steigenden Verlaufs des Spannungssignals zwischen den Punkten 19 und 21 ein direktes Maß für die Abweichung der Phasenlage von dem gewünschten Wert.

Hierbei ist die gewählte, in 2 gezeigte Elektrodenanordnung 5 von Vorteil, weil diese zu einem monoton steigenden Signalverlauf mit einer großen Steigung führt.

Mit dem erfindungsgemäßen Strahlanalysesystem kann somit allgemein folgendes Verfahren zur Erfassung der zeitlichen Lage eines gepulsten Strahls relativ zu einem Referenzsignal durchgeführt werden. Ein gepulster Referenz-Laserstrahl, der als Referenzsignal verwendet wird, wird in eine Modulationseinrichtung geleitet. Der Modulationseinrichtung wird als Steuersignal ein Spannungspuls einer in einem Strahlrohrabschnitt angeordneten Elektrodenanordnung zugeführt, wobei der Spannungspuls erzeugt wird, wenn ein Strahlpuls die Elektrodenanordnung passiert. Die Modulationseinrichtung verändert die Intensität der Pulse des Referenz-Laserstrahls in Abhängigkeit von der Phasenlage der Spannungspulse relativ zu den Laserpulsen. Damit ist die Intensität der Laserpulse ein Maß für die relative Phasenlage.

In 5 und 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das dort dargestellte Strahlanalysesystem 1' dazu dient, die räumliche Lage eines Strahlpulses zu erfassen.

Dabei ist bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel eine Elektrodenanordnung 5' in einem Strahlrohrabschnitt 3' angeordnet, wobei die Elektrodenanordnung 5' in diesem insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei sich quer zur Richtung 7' der Strahlpulse erstreckende Elektrodenelemente 41 mit einem ersten Ende 43 und einem zweiten Ende 45 umfasst.

Neben der Einrichtung 23 zum Erzeugen eines gepulsten Referenz-Laserstrahls weist das Strahlanalysesystem 1' des Weiteren einen ersten Messzweig umfassend eine erste Verzögerungseinrichtung 25, einen ersten elektro-optischen Modulator 27, einen ersten Photodetektor 33 und eine erste Signalverarbeitungseinrichtung 37 auf, die in der im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Weise miteinander verbunden sind. Daneben ist in analoger Weise ein zweiter Messzweig vorgesehen, der eine zweite Verzögerungseinrichtung 25', einen zweiten elektro-optischen Modulator 27', einen zweiten Photodetektor 33' und eine zweite Signalverarbeitungseinrichtung 37' aufweist.

Der Signaleingang 35 des ersten elektro-optischen Modulators 27 ist mit dem ersten Ende 43 eines der Elektrodenelemente 41 verbunden und das zweite Ende 45 mit dem Signaleingang 35' des zweiten elektro-optischen Modulators 27'. Es ist aber auch denkbar, dass die beiden ersten Enden 43 mit dem ersten Modulator 27 und die beiden zweiten Enden 45 mit dem zweiten Modulator 27' verbunden sind.

Zur Bestimmung der Lage der Strahlpulse senkrecht zur Strahlrichtung 7' wird beim Strahlanalysesystem 1' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wie folgt vorgegangen.

Sowohl an den ersten als auch den zweiten Enden 43, 45 der Elektrodenelemente 41 wird ein Spannungspuls ausgegeben, wenn ein Strahlpuls die Elektrodenanordnung 5' passiert, wobei die Spannungspulse einen Verlauf zeigen, der dem aus 3 ähnelt, sodass ein Nulldurchgang und ein monoton steigender Bereich vorhanden sind.

Das Strahlanalysesystem 1.' wird mittels der Verzögerungseinrichtungen 25, 25' so eingestellt, dass in beiden elektrooptischen Modulatoren 27, 27' der Nulldurchgang der Spannungssignale zeitlich genau dann mit einem Referenz-Laserpuls zusammenfällt, wenn der Strahlpuls den Strahlrohrabschnitt bei einer Referenzposition in transversaler Richtung durchläuft. In diesem Fall wird die Intensität des Laserpulses durch die beiden Modulatoren 27, 27' nicht gegenüber dem voreingestellten Pegel verändert.

Durchläuft der Strahlpuls den Strahlrohrabschnitt 5' jedoch bei einer anderen Position in transversaler Richtung, fallen die Nulldurchgänge nicht mehr mit dem Referenz-Laserpuls zusammen, da die an den Enden 43, 45 ausgegebenen Spannungspulse zeitlich gegenüber denen verschoben sind, die erzeugt werden, wenn der Strahlpuls den Strahlrohrabschnitt 5' bei der Referenzposition durchläuft. Diese zeitliche Verschiebung der Spannungspulse führt wiederum dazu, dass die Laserpulse in den elektro-optischen Modulatoren 27, 27' nun in der Intensität gegenüber dem voreingestellten Pegel moduliert werden, wobei die Veränderung der Intensität ein Maß für die Abweichung der transversalen Position des Strahlpulses von der Referenzposition ist.

Dabei können die erste und zweite Verzögerungseinrichtung 25, 25' zunächst dazu dienen, die transversale Referenzposition festzulegen. Außerdem dienen die Verzögerungseinrichtungen 25, 25' dazu, die Phasenlage der Strahlpulse relativ zum gepulsten Referenz-Laserstrahl in der Weise zu berücksichtigen, dass die Nulldurchgänge der Spannungssignale tatsächlich mit den Laserpulsen 39 zusammenfallen, wenn der Strahl bei der transversalen Referenzposition den Strahlrohrabschnitt 3' durchläuft. Wenn sich nämlich insgesamt die Phasenlage der Strahlpulse relativ zum Referenzsignal ändert, tritt der im Zusammenhang mit der Bestimmung der Ankunftszeit zuvor erläuterte Effekt auf, dass sich die Nulldurchgänge relativ zum Referenzsignal verschieben. Es kann durch die Verzögerungseinrichtungen 25, 25' somit auch eine mögliche Veränderung in der Phasenlage berücksichtigt werden.

Insgesamt sind die Ausführungsbeispiele von Strahlanalysesystemen gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Vorteil verbunden, dass das optische Signal, das auch zur Synchronisation der Beschleunigeranlage verwendet werden kann, nämlich der gepulste Referenz-Laserstrahl, unmittelbar genutzt wird, um eine Information über die zeitliche oder räumliche Lage der Strahlpulse zu tragen. Auf diese Weise wird vermieden, dass es zu zusätzlichen zeitliche Schwankungen des verwendeten Referenzsignals kommt, die aus zwischengeschalteten Bauteilen resultieren. Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Strahlanalysesystem, die Ankunftszeit eines Strahlpulses relativ zu dem Referenz-Lasersignal mit einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserten Auflösung zu messen. Hierbei werden Auflösungen von bis zu 10 fs erreicht.


Anspruch[de]
Strahlanalysesystem mit einer Elektrodenanordnung (5, 5'), die in einem Strahlrohrabschnitt (3, 3') angeordnet ist,

mit einer Einrichtung (23) zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls,

mit einem ersten elektro-optischen Modulator (27) und

mit einem ersten Photodetektor (33),

wobei der optische Eingang (29) des ersten elektrooptischen Modulators (27) mit der Einrichtung (23) zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls verbunden ist,

wobei der optische Ausgang (31) des ersten elektrooptischen Modulators (27) mit dem Photodetektor (33) verbunden ist und

wobei der Signaleingang (35) des ersten elektrooptischen Modulators (27) mit der Elektrodenanordnung (5, 5') verbunden ist.
Strahlanalysesystem gemäß Anspruch 1, wobei zwischen die Einrichtung (23) zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls und dem optischen Eingang (29) des ersten elektro-optischen Modulators (27) eine erste Verzögerungseinrichtung (25) zum Einstellen einer Verzögerungszeit für den gepulsten Laserstrahl geschaltet ist. Strahlanalysesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrodenanordnung (5, 5') derart ausgestaltet ist, dass ein Spannungspuls erzeugt wird, wenn die Elektrodenanordnung (5) von einem Strahlpuls passiert wird. Strahlanalysesystem nach Anspruch 3, wobei die Elektrodenanordnung (5) einen ringförmigen Halter (9) und Elektrodenelemente aufweist

wobei die Elektrodenelemente gegenüber dem Halter (9) elektrisch isoliert sind,

wobei der ringförmige Halter (9) radiale Bohrungen (11) aufweist,

wobei die Elektrodenelemente als in den Bohrungen verlaufende Stifte (13) ausgebildet sind,

wobei der dem Strahl zugewandte Abschnitt der Stifte (13) einen im wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist und

wobei die Stifte (13) durch Isolierbuchsen (15) in den Bohrungen (11) gehalten sind.
Strahlanalysesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrodenanordnung (5') ein sich quer zur Richtung (7') der Strahlpulse erstreckendes Elektrodenelement (41) mit einem ersten Ende (43) und einem zweiten Ende (45) aufweist,

wobei ein zweiter elektro-optischer Modulator (27') und ein zweiter Photodetektor (33') vorgesehen sind,

wobei der optische Eingang (29') des zweiten elektrooptischen Modulators (27') mit der Einrichtung (23) zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls verbunden ist,

wobei der optische Ausgang (31') des zweiten elektrooptischen Modulators (27') mit dem zweiten Photodetektor (33') verbunden ist,

wobei das erste Ende (43) mit dem Signaleingang (35) des ersten elektro-optischen Modulators (27) verbunden ist und

wobei das zweite Ende (45) mit dem Signaleingang (35') des zweiten elektro-optischen Modulators (27') verbunden ist.
Strahlanalysesystem nach Anspruch 5, wobei zwischen die Einrichtung (23) zur Erzeugung eines gepulsten Referenz-Laserstrahls und dem optischen Eingang (29') des zweiten elektro-optischen Modulators (27') eine zweite Verzögerungseinrichtung (25') zum Einstellen einer Verzögerungszeit für den gepulsten Laserstrahl geschaltet ist. Strahlanalysesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strahlrohrabschnitt als Resonator ausgebildet ist.






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