Spektrometer mit Thomson-Parabel

Im Sommer 2022 wandte sich ein Kunde vom Institut für Plasmaphysik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften mit der Anfrage an uns, ein Spektrometer mit einer Thomson-Parabel herzustellen. Es handelt sich um ein Gerät, das zur Analyse beschleunigter geladener Teilchen und deren Aufteilung nach Energie und Ladung verwendet wird. Das Funktionsprinzip basiert darauf, die eintreffenden Teilchen mittels eines magnetischen und elektrischen Feldes von ihrer geraden Flugbahn abzulenken und anschließend ihre Position auf einem Flächendetektor zu erfassen.

Im Fall unseres Kunden sollte das Spektrometer zur Analyse von Plasma dienen, das durch die Wechselwirkung eines hochenergetischen Laserimpulses mit einem festen Target entsteht. Das Hauptziel des Projekts war es, ein Gerät mit einer höheren Auflösung als bisher zu erhalten, was vor allem durch eine höhere Intensität des elektrischen und magnetischen Feldes erreicht werden kann. Eine weitere Anforderung des Kunden war, dass das Spektrometer auf einem beweglichen und winkelverstellbaren Rahmen montiert sein sollte, damit das gesamte System je nach Bedarf an das Experiment herangeführt werden kann.

Obwohl das Prinzip der Thomson-Parabel seit über hundert Jahren bekannt ist, können die Anordnung und die Verarbeitungsqualität der einzelnen Teile einen entscheidenden Einfluss auf die Funktionsfähigkeit dieses Spektrometers haben. Daher musste bereits dem Entwurf des Aufbaus große Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Das Spektrometer mit der Thomson-Parabel ist im Kern ein Vakuumsystem. Seine Hauptkammer wurde nach unserem eigenen Entwurf gefertigt und anschließend mit Standard-Vakuumkomponenten ergänzt. Das erreichbare Vakuumniveau liegt bei etwa 10⁻⁶ mbar. An diese Kammer ist ein leistungsstarker Elektromagnet angeschlossen, der über im Inneren angeordnete Polkappen ein Feld mit einer Stärke von über 0,7 T erzeugen kann. Darüber hinaus sind Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes mit einer Stärke von bis zu 50 kV sowie ein Aufsatz für austauschbare Pinholes vorhanden, der zur Kollimation des durchfliegenden Teilchenstrahls dient.

Als Detektor haben wir eine Mikrokanalplatte (MCP) der Firma Hamamatsu mit einer zweistufigen Anordnung der MCP-Elemente gewählt. Die Eingangs-Fotokathode befindet sich im Vakuumteil des Systems, die Ausgangs-Phosphorplatte hingegen außerhalb des Vakuums, sodass eine Auslesekamera daran angebracht werden kann.

Das Spektrometer ist auf einem stabilen Aluminiumrahmen mit Rollen montiert, die einen bequemen Transport ermöglichen. Die Verbindung zwischen der Vakuumapparatur und dem Rahmen erfolgt über zwei übereinanderliegende Aluminiumplatten, deren gegenseitige Position und Winkel eingestellt werden können, was die erforderliche Einstellbarkeit der Eingangsapertur des Spektrometers gewährleistet.