Volltext - Universität Hamburg

7.2. Temperaturverteilung mit 10 ns langen Pulsen
7.2. Temperaturverteilung mit 10 ns langen Pulsen
Die Darstellung der numerischen Berechnung der Temperatur von Diamantkristallen in Abb. 7.9
zeigt die Abhängigkeit der zeitlichen Temperaturentwicklung, hervorgerufen von zwei unterschiedlichen
Pulslängen, auf der Undulatorachse. Der Temperatursprung nimmt mit zunehmender
Pulslänge ab. Wird ein 10 ns langer Puls betrachtet, steigt die Temperatur über einen
Zeitraum von 10 ns an. Das Maximum der Temperatur wird nach 10 ns erreicht. Dadurch ist die
Temperatur zum Zeitpunkt t = 10 ns (maximale Temperatur) höher als im Fall der instantan
absorbierten Energie. Zu Beginn ist die Temperatur zum Zeitpunkt direkt vor Absorption des
folgenden Pulses für beide Fälle nahezu gleich. Im thermischen Gleichgewicht für den Zeitpunkt
vor Absorption des folgenden Photonpulses liegt die Temperatur für den längeren Puls etwa
0.5 K unterhalb der Gleichgewichtstemperatur für den Fall der instantan absorbierten Energie.
Aus dieser Analyse erscheint es möglich, einen 10 ns langen Lichtpuls zu nutzen, um die zeitliche
Temperaturentwicklung im Kristall nachzubilden, da die Temperatur vor der Absorption
der Pulse und nicht die Temperatur 10 ns nach der Absorption der Pulse von Bedeutung ist.
Der berechnete Unterschied ist im Hinblick auf die Temperaturänderung des Kristalls von etwa
∆T ≈ 25 K tolerabel.
Sollen die Effekte untersucht werden, die aufgrund des Temperatursprungs direkt nach Absorption
des Lichtpulses auftreten können, muss ein entsprechend kürzerer Lichtpuls genutzt
werden, wobei Effekte aus der Absorption des Laserlichts an der Absorptionskante zukünftig
genauer betrachtet werden müssten. Vorteilhaft wäre hier, die Absorption eines einzelnen
intensiven Röntgenlichtpulses, wie zum Beispiel Pulse des LCLSs oder anderer FELs im Röntgenbereich
zu nutzen.
Wie aus den thermischen Simulationen zu erkennen ist, ist die thermische Last auf dem
42 µm dicken Diamantkristall bei reduzierter Sättigungsenergie des XFELOs so hoch, dass die
Temperatur des Kristalls um über 30 K ansteigen wird, wird eine Ausgangstemperatur des
Kristalls von 50 K vorausgesetzt, die notwendig ist, damit der Kristall eine hohe Wärmeleitung
hat. Dieser Temperaturanstieg ändert die Zentralwellenlänge der Bragg-Reflexion um 30 % der
Darwin-Breite. Der Einfluss auf die Verstärkung eines XFELOs ist nicht abschließend geklärt
und muss noch weiter untersucht werden. Die Weiterentwicklung der FELO-Simulationen sind
nächste Schritte, die durchgeführt werden müssen. Eine Lösung, um die durch die Temperaturänderung
hervorgerufenen unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen auszugleichen, könnte eine
geeignete Heizung sein. Diese erwärmt den kälteren Kristall auf die Temperatur des wärmeren
Kristalls, um den Unterschied auszugleichen, damit beide Kristalle die gleiche Wellenlänge
reflektieren.
Die Erwärmung des 150 µm dicken Diamantkristall bei reduzierter Sättigungsenergie ist aufgrund
des geringeren Einflusses der ballistischen Effekte auf die Wärmeleitung deutlich geringer
und stellt bei einer Ausgangstemperatur von 50 K kein Problem dar.
Die Nutzung von 10 ns langen Lichtpulsen für die Erzeugung eines vergleichbaren Temperaturfelds
im Kristall ist möglich.
Die Auskopplung der Strahlung über einen Drei-Strahlfall sollte näher untersucht werden,
denn die thermischen Eigenschaften dickerer Kristalle sind deutlich besser. Außerdem wird
der Temperaturunterschied der Kristalle im Resonator kleiner sein, sodass sich die Bragg-
Wellenlängen der Kristalle nicht so stark gegeneinander verschieben.
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