Beamline (Strahlführung): Aufbau und Funktion in Teilchenbeschleunigern

In Teilchenbeschleunigern ist die Strahlführung normalerweise in einem Tunnel und/oder unterirdisch in einem Zementgehäuse untergebracht. Die Strahlführung ist normalerweise aus zylindrischem Metall. Typische Bezeichnungen sind Strahlrohr und/oder ein leerer Abschnitt, der als Driftröhre bezeichnet wird. Dieser gesamte Abschnitt muss unter einem guten Vakuum stehen, damit der Strahl eine lange Strecke zurücklegen kann.

Ein Vermessungs- und Ausrichtungsteam richtet die Strahlführungssegmente mit Hilfe eines Lasertrackers sorgfältig aus. Alle Strahllinien müssen innerhalb einer Mikrometertoleranz liegen. Eine gute Ausrichtung trägt dazu bei, Strahlverluste zu vermeiden und zu verhindern, dass der Strahl mit den Rohrwänden kollidiert, was zu Sekundäremissionen und/oder Strahlung führt.

In Bezug auf Synchrotrons ist eine Beamline die Instrumentierung, die Strahlen der Synchrotronstrahlung zu einer experimentellen Endstation führt, die die Strahlung nutzt, die von den Biegemagneten und Einfügevorrichtungen im Speicherring einer Synchrotronlichtquelle erzeugt wird. Eine typische Anwendung für diese Art von Strahlführung ist die Kristallographie. Wissenschaftler nutzen Synchrotronlicht auch auf viele andere Arten.

Ein großes Synchrotronlabor wird über viele Strahlführungen verfügen, von denen jede für einen bestimmten Forschungsbereich optimiert ist. Die Unterschiede hängen von der Art der Einfügevorrichtung (die wiederum die Intensität und spektrale Verteilung der Strahlung bestimmt), der Strahlaufbereitungsanlage und der experimentellen Endstation ab. Eine typische Strahllinie an einem modernen Synchrotron wird vom Speicherring bis zur Endstation 25 bis 100 m (82 ft bis 328 ft) lang sein und kann bis zu Millionen von US Dollar kosten. Aus diesem Grund wird eine Synchrotronanlage oft in Etappen gebaut, wobei die ersten paar Strahllinien zu Beginn des Betriebs und weitere Strahllinien später hinzugefügt werden, wenn es die Finanzierung erlaubt.

Die Beamline-Elemente befinden sich in Strahlungsabschirmkabinen, so genannten Hutches, die die Größe eines kleinen Raumes (Kabine) haben. Ein typischer Strahlengang besteht aus zwei Kabinen, einer optischen Kabine für die Strahlkonditionierungselemente und einer Experimentierkabine, in der das Experiment untergebracht ist. Zwischen den Hütten bewegt sich der Strahl in einem Transportrohr. Personen dürfen die Kabinen nicht betreten, wenn der Strahlverschluss geöffnet ist und Strahlung in die Kabine eindringen kann. Die Hütten verfügen über komplexe Sicherheitssysteme mit redundanten Verriegelungsfunktionen, um sicherzustellen, dass sich niemand in der Hütte aufhält, wenn die Strahlung eingeschaltet wird. Das Sicherheitssystem schaltet auch den Strahlungsstrahl ab, wenn die Tür zur Hütte versehentlich geöffnet wird, während der Strahl eingeschaltet ist. In diesem Fall wird der Strahl durch Ablassen des im Synchrotron zirkulierenden Elektronenstrahls abgeschaltet. Wenn also eine Tür geöffnet wird, werden alle Strahlführungen in der Anlage abgeschaltet.

Die Experimentatoren verwenden die folgenden Elemente, die in Strahlführungen zur Konditionierung des Strahlungsbündels zwischen Speicherring und Endstation verwendet werden:

• Fenster - dünne Bleche aus Metall, oft Beryllium, die fast den gesamten Strahl durchlassen, aber das Vakuum innerhalb des Speicherrings vor Kontamination schützen
• Schlitze - die die physikalische Breite des Strahls und seine Winkelausbreitung steuern
• Fokussierende Spiegel - ein oder mehrere Spiegel, die flach, gebogen-flach oder toroidförmig sein können, was zur Kollimierung (Fokussierung) des Strahls beiträgt
• Monochromatoren - Vorrichtungen, die auf der Beugung durch Kristalle basieren, die bestimmte Wellenlängenbänder auswählen und andere Wellenlängen absorbieren, und die manchmal auf verschiedene Wellenlängen abstimmbar und manchmal auf eine bestimmte Wellenlänge festgelegt sind
• Abstandsröhren - vakuumerhaltende Röhren, die den richtigen Abstand zwischen den optischen Elementen schaffen und jegliche Streustrahlung abschirmen
• Probentische - zur Befestigung und Manipulation der zu untersuchenden Probe und um sie verschiedenen äußeren Bedingungen, wie z.B. unterschiedlichen Temperaturen, Druck usw. auszusetzen.
• Strahlungsdetektoren - zur Messung der Strahlung, die mit der Probe in Wechselwirkung getreten ist

Die Kombination von Strahlkonditionierungsgeräten steuert die thermische Belastung (Erwärmung durch den Strahl) an der Endstation, das Spektrum der an der Endstation einfallenden Strahlung und den Fokus oder die Kollimation des Strahls. Vorrichtungen entlang der Strahllinie, die erhebliche Leistung aus dem Strahl absorbieren, müssen möglicherweise aktiv mit Wasser oder flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Die gesamte Länge einer Strahlführung wird normalerweise unter Ultrahochvakuumbedingungen gehalten.

Eine experimentelle Endstation in einer Neutronenanlage wird als Neutronenstrahlführung bezeichnet. Oberflächlich betrachtet unterscheiden sich Neutronenstrahlrohre von Synchrotronstrahlrohren vor allem dadurch, dass sie anstelle von Photonen Neutronen aus einem Forschungsreaktor oder einer Spallationsquelle verwenden. Bei den Experimenten wird normalerweise die Neutronenstreuung an der zu untersuchenden Probe gemessen.

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