Techniklexikon

Strahlemittanz

Teilchenphysik, Emittanz, Mass für Querschnitt und Bündelung eines Teilchenstrahls in einem Beschleuniger. Sie ergibt sich geometrisch durch die Parametrisierung der Einhüllenden eines Ionen- oder Elektronenstrahls im transversalen Phasenraum (aufgespannt von der Ortsvariablen x und der Impulsvariablen ) als zeitlich konstante Ellipse  mit . Die Ellipsenfläche ist eine Invariante der Teilchenbewegung. Um beliebige Teilchenverteilungen durch ihre Emittanz bechreiben zu können, wird die RMS-(root-mean-square)-Emittanz verwendet: . Die mit s gekennzeichneten Grössen bedeuten die Standardabweichung der Verteilung der entsprechenden Grösse. Für beschleunigte Strahlen wird die sog. normierte Strahlemittanz verwendet,  mit  und , die auch bei der Beschleunigung des Teilchenstrahls erhalten bleibt. Durch fokussierende und defokussierende elektrische Felder im Beschleuniger kann es trotzdem zu einer Änderung der Emittanz kommen, wenn sich letztlich die auftretenden Felder nicht vollständig kompensieren. In dichten Ionenstrahlen kann es ausserdem auf Grund der Coulomb-Abstossung der Ionen untereinander zu einer Kopplung des transversalen und longitudinalen Freiheitsgrades kommen, was einen vergrössernden Einfluss auf die Emittanz hat. Aus der Konstanz der Emittanz folgt ausserdem, dass die Divergenz (oder Strahlaufweitung)  des Teilchenstrahls sich vergrössert, wenn der Strahl abgebremst wird.

Zur Emittanzmessung können alle gängigen Methoden der Strahlprofilmessung eingesetzt werden. Wesentliche Voraussetzung dabei ist, dass die Messung des Strahlprofils ohne eine Veränderung der Parameter der Strahlführungselemente möglich ist. In Linearbeschleunigern wird der Teilchenstrahl häufig auf einen Fluoreszenzschirm abgebildet, der bei Bedarf in den Strahlgang gefahren wird. Für Kreisbeschleuniger ist dieses Verfahren natürlich nicht geeignet. Bei Elektronstrahlen kann durch optische Verfahren (Messung der Synchrotronstrahlung) sowohl Position als auch Intensität des Strahls ermittelt werden. Bei Protonen- und Ionenstrahlen kann über die Ionisation des Restgases im Hochvakuum (die entstehenden Ionen werden über elektrische Felder auf ortsempfindliche Detektoren geleitet) die Strahlposition sehr präzise vermessen werden. Übliche Monitorverfahren der Strahllage verwenden die Kopplung an das elektromagnetische Feld des Strahls (z.B. magnetisch durch Verwendung eines Strahltransformators oder elektrisch durch Elektroden zur Messung des elektrischen Pickups oder mit Hilfe eines Hohlraumresonators), wodurch Teilchenverluste vermieden werden.