Kamerakopf zur schnellen Aufzeichnung von Spektren eines VUV-Spektrometers Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Messung der Transportzeit von Verunreinigungsteilchen in einem Plasma, umfassend ein Spektrometer und eine Zeilen-Kamera. Das Spektrometer weist einen Eingangsspalt auf. Durch den Ein- gangsspalt fallen die Spektrallinien, die von den Verunrei- nigungsteilchen ausgesendet werden. Die Spektrallinien fal- len dann auf ein Beugungsgitter. Wellenlängenabhängig wer- den die Spektrallinien unter verschiedenen Winkeln reflek- tiert. Die aus dem Spektrometer austretenden zerlegten Lichtsignale werden von einer ortsauflösenden Zeilen-Kamera erfasst. Aus der so erhaltenen Messinformation wird die Transportzeit berechnet. Das Spektrometer befindet sich wäh- rend des Betriebes in einer Vakuumatmosphäre.

Zur experimentellen Untersuchung des radialen Transports von Plasmaverunreinigungen in Fusionsplasmen wird u. a. eine kleine Menge einer Plasmaverunreinigung am Plasmarand in das Plasma eingebracht und dann die Zeitentwicklung von Spekt- rallinien verschiedener Ionisationsstufen gemessen. Bei sol- chen Experimenten, zum Beispiel beschrieben in"New di- agnostics for physics studies on TEXTOR-94, Review of Scientific Instruments, Vol. 72, Seiten 1046-1053, dringen die das Plasma verunreinigenden Teilchen-hier Verunreini- gungsteilchen genannt-vom Plasmarand ausgehend in Richtung zum Plasmazentrum in Bereiche zunehmend höherer Elektronen- temperatur vor und werden dabei schrittweise zu immer höhe-

ren Ionisationsstufen durchionisiert. Die Verunreinigungs- teilchen liegen dann in Form von Ionen vor. Gleichzeitig werden diese ionisierten Verunreinigungsteilchen-hier Ver- unreinigungsionen genannt-durch Elektronenstoß zur Emis- sion charakteristischer Spektrallinien angeregt. Beim Expe- riment treten die Spektrallinien höherer Ionisationsstufen gegenüber den niedrigen Ionisationsstufen zeitlich verzögert auf. Diese Zeitverzögerung zwischen dem Auftreten zweier Spektrallinien verschiedener Ionisationsstufen Z1 und Z2 ist ein direktes Maß für die Transportzeit, welche die Verunrei- nigungsteilchen für den radialen Transport zwischen denjeni- gen radialen Positionen rl und r2 benötigen, an denen die Emissivitäten der betrachteten Spektrallinien lokalisiert sind. Die Genauigkeit der beschriebenen Methode hängt davon ab, dass möglichst viele verschiedene Spektrallinien ver- schiedener Ionisationsstufen gleichzeitig mit gutem Sig- nal/Rauschverhältnis und ausreichender Zeitauflösung beo- bachtet werden können.

Aus Vorversuchen ergab sich für typische Bedingungen bei ei- nem Fusionsexperiment, dass regelmäßig eine Zeitauflösung von 1 ms erforderlich ist, um die Zeitverzögerungen zwischen Spektrallinien verschiedener Ionisationsstufen messtechnisch ausreichend auflösen zu können. Die Messung sollte kontinu- ierlich über die gesamte Entladungsdauer eines typischen Plasmas (6-10 Sekunden) erfolgen können, um alle physika- lisch interessanten Vorgänge während der Entladung erfassen zu können.

Die Unterscheidung zwischen Spektrallinien und Untergrund sowie die Trennung verschiedener Spektrallinien ist regelmä- ßig nur bei Verwendung geeigneter Spektrometer mit ausrei- chender Wellenlängenauflösung zu erreichen. Die Anwendbar-

keit der Methode auf möglichst viele verschiedene relevante Plasmaverunreinigungen legt schließlich den zu beobachtenden Wellenlängenbereich im VUV (Vakuum-Ultraviolett, ca. 10 nm- 100 nm) fest, da dort die für Fusionsexperimente relevanten Verunreinigungen zahlreiche ihrer stärksten Spektrallinien aufweisen.

Die Anforderungen an die Messtechnik und zwar insbesondere an das eingesetzte Spektrometer für die geplanten Untersu- chungen lassen sich also wie folgt zusammenfassen : a) Ein breiter Wellenlängenbereich im VUV (10-100 nm) sollte vom Spektrometer verarbeitet werden können. b) Das Spektrometer sollte mit einer hohen Zeitauflösung messen können und zwar insbeson- dere mindestens 1000 vollständige. Spektren pro Sekunde. c) Die Effizienz des Spektrometers sollte hoch sein, da das Signal/Rauschverhältnis auch von der Photo- nenstatistik abhängt. d) Das Spektrometer sollte über eine ausreichende Wel- lenlängenauflösung (Linientrennung) verfügen. e) Das Spektrometer sollte einen großen Dynamikbereich aufweisen, da die Intensitäten der verschiedenen Spektrallinien sehr unterschiedlich sind.

Als nächstliegender Stand der Technik, der die genannten An- forderungen derzeit am besten zu erfüllen vermag, wurde das Spektrometerkonzept"SPRED" (Survey Poor Resolution Extended Domain) aufgefunden, das in Arbeiten von Fonck et al., Appl.

Optics Vol. 21, Seite 2115ff (1982) sowie Stratton et al., Reviews of Scientific Instruments Vol. 57, Seite 2043ff (1986) dargestellt ist.

Das Spektrometerkonzept kann wie folgt kurz zusammengefasst werden : Herzstück des Spektrometers ist ein Beugungsgitter von Jobin-Yvon mit folgenden Eigenschaften : I. Streifender Lichteinfall unter etwa 70 Grad zur Gitternormalen, um so eine ausreichende Reflektivität der Gitterbeschichtung im Bereich unterhalb von 50 nm zu er- zielen.

II. Toroidales Gittersubstrat zur Reduktion der geometrischen Lichtverluste durch Astigmatismus. Die Effizienz wird hier- durch erhöht.

III. Die Gitterstriche werden durch Ionenätzen oder hologra- fisch hergestellt. Dadurch wird eine hohe Effizienz in der ersten Beugungsordnung bei weitgehender Unterdrückung der höheren Beugungsordnungen erreicht. Ferner wird eine Reduk- tion der Abbildungsfehler bewirkt sowie ein scharfes Spektrum in einer Ebene der Breite 40 mm erzielt.

IV. Die Gitteroberfläche wird zur Erhöhung der Effizienz im Wellenlängenbereich unterhalb 30 nm mit Gold beschichtet.

V. Die beiden Armlängen des Spektrometers (hierunter ist der Abstand Eintrittsspalt-Gitter bzw. Gitter-Detektor zu ver- stehen) sind mit jeweils etwa 30 cm so gewählt, dass sich für die herstellbaren Gittergrößen und Strichdichten ein Instrument mit großem Wellenlängenbereich bei ausreichender Wellenlängenauflösung und großer Öffnung (f/30) und somit hoher Effizienz ergibt.

Das Beugungsgitter erzeugt in der Ausgangsebene des Spektro- meters Bilder des Eintrittsspalts in einem Abbildungsmaßstab von etwa 1 : 1.

Zur Konversion der VUV-Photonen in sichtbares Licht bei gleichzeitiger Verstärkung der Signale wird in der Ausgangs- ebene des Spektrometers ein offener MCP-Detektor ("Multi- Channel-Plate") verwendet. Das gesamte Spektrometer wird im Vakuum betrieben, da die Strahlung in dem Wellenlängenbe- reich 10-100 nm von allen Gasen bzw. allen Materialien ab- sorbiert wird. Der Betrieb der offenen MCP-Detektoren erfor- dert zudem einen Druck unterhalb von 10-6 mbar, sodass für das Spektrometer insgesamt ein UHV-Aufbau notwendig ist (UHV : Ultrahochvakuum).

Die gemäß a) bis e) gewünschten technischen Anforderungen ma- chen es erforderlich, die aus dem vorgenannten Stand der Tech- nik bekannten Vorrichtungen in einigen Punkten gezielt zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, mit der genauer als bisher der Trans- port von Verunreinigungen in einem Plasma gemessen werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Spektrometer, Mit- tel zur ortsauflösende Umwandlung von-aus dem Spektrometer aus- tretenden Licht in Ladung, eine Integratorschaltung zur ortsauflösenden Integrierung der Ladung, sowie Mittel zur Dar- stellung der ortsabhängig integrierten Ladung. Die Integrator- schaltung ist aus diskreten Bauelementen aufgebaut.

Der Erfinder hat erkannt, dass zur Lösung der gestellten Auf- gabe die Integratorschaltung im Vergleich zum Stand der Tech- nik abzuändern ist. Insbesondere hat der Erfinder erkannt, dass der bisherige Weg, nämlich integrierte Schaltkreise ein-

zusetzen, verlassen werden muss und die Aufgabe nur gelöst werden kann, indem die Integratorschaltung aus diskreten Bau- elementen aufgebaut wird. Diskrete Bauelemente, die zur Reali- sierung geeignet sind, gehen aus dem Ausführungsbeispiel her- vor.

Ein großer Dynamikbereich bei hoher Zeitauflösung führt (wegen der vorgegebenen Werte für Rauschlevel und"full-well-capa- city"des nachzuschaltenden Kamerakopfes) zu hohen Gesamtin- tensitäten der ausgangsseitigen, verstärkten Spektren, für die dann beispielsweise ein offener MCP-Detektor entsprechend aus- zulegen ist. Mit einer einstufigen Standard-MCP (einem Län- gen/Durchmesser-Verhältnis der Einzelkanäle von 40 : 1) wird nur eine Stromverstärkung von maximal etwa 3000 erreicht. Eine solche Verstärkung ist regelmäßig unzureichend. Eine mehrstu- fige Standard-MCP führt regelmäßig zu einer zu starken räumli- chen Verbreiterung (Verschlechterung der Ortsauflösung und da- mit der Wellenlängenauflösung des Gesamtsystems). Daher wird die MCP als EDR-MCP ("Extended dynamic range", d. h. ein um ei- nen Faktor 10 erweiterter Dynamikbereich) mit einem Län- gen/Durchmesser-Verhältnis der Einzelkanäle von insbesondere 60 : 1 (d. h. Faktor 30 höhere Gesamtverstärkung) ausgelegt. We- sentlich ist bei dieser Ausgestaltung, daß das Län- gen/Durchmesser-Verhältnis der Einzelkanäle derart eingestellt wird, dass die Gesamtverstärkung wesentlich größer im Ver- gleich zur genannten unzureichenden Verstärkung ist.

Zur Erhöhung der Effizienz (Quantenausbeute) wird die MCP- Oberfläche bevorzugt mit CsJ beschichtet.

Für den nachgeschalteten Phosphor-Screen zur Konversion des Elektronenpulses in sichtbares Licht wird insbesondere ein spezieller sehr schneller Phosphor (Typ P46) gewählt, dessen Nachleuchtdauer/Abklingzeit (einige 10 ps) deutlich unterhalb

der angestrebten Zeitauflösung des Gesamtsystems liegt und der zusätzlich eine hohe Lichtausbeute in dem Wellenlängenbereich aufweist, in welchem der nachgeschaltete Kamerakopf seine höchste Effizienz aufweist (ca. 500-700 nm). Mit dieser Ausle- gung kann insgesamt eine hohe Verstärkung der MCP von bis zu 105 bei hoher Effizienz, hoher Zeitauflösung und akzeptabler Ortsauflösung (minimale Fleckgröße am Ausgang beträgt ca. 60 um) erreicht.

Der Durchmesser von MCP und Screen ist in einer Ausgestaltung der Erfindung mit 40 mm (das ist der größte erhältliche Stan- darddurchmesser) so gewählt, dass das gesamte Spektrum darauf abgebildet wird. Die Spektrallinien erscheinen auf der Ober- fläche des Phosphor-Screens als dünne Striche, die mit bloßem Auge erkennbar sind (Bilder des Eintrittsspaltes).

Die Ortsauflösung der MCP legt nun im wesentlichen auch die optimale Breite für den Eintrittsspalt fest, bis zu der die einfallende Lichtmenge (und damit die Effizienz des Gesamtsys- tems) gesteigert werden kann, ohne dass eine merkliche zusätz- liche Verschlechterung der Wellenlängenauflösung eintritt.

Bevorzugt wird daher eine Breite von 50 um gewählt.

Wird eine weitere Steigerung der einfallenden Lichtmenge ohne Verlust an Auflösung gewünscht, so wird erfindungsgemäß die Spalthöhe vergrößert. Dies erfordert (wegen der 1 : 1 Abbildung im Spektrometer) einen Kamerakopf zur Aufzeichnung der Spekt- ren, dessen Sensor eine möglichst große Höhe aufweist.

Auslegungsdaten zu Geometrie und Ankopplung des Kamerakop- fes.

Für die Aufzeichnung der Spektren in der Ausgangsebene des MCP-Detektors (Phosphor-Screen) wird ein Kamerakopf/Detektor bevorzugt, der das gesamte Spektrum erfasst (große Sensor-

breite) und möglichst viel Licht einsammelt (große Sensorhöhe, senkrecht zur Dispersionsrichtung des Spektrometers). Kommer- ziell erhältliche Komplettsysteme mit den geforderten Werten von Abmessungen und Zeitauflösung sind nicht erhältlich. Ins- besondere gibt es keine standardmäßig erhältlichen zweidimen- sionalen Detektoren (z. B. CCDs) mit den geforderten Abmessun- gen, welche eine Gesamtauslesung mit einer Bildrate von 1000/s kontinuierlich ermöglichen. Es gibt jedoch einen eindimensio- nalen Sensor (N-MOS Sensor HAMAMATSU Typ S3904-1024F mit fi- beroptischen Eingangsfenster und mit Versorgungsplatine Typ C4069) mit einer Breite von 25 mm (1024 Pixel zu je 25 um Breite) und Höhe von 2.5 mm sowie einer spezifizierten Pixel- rate von bis zu 2 MHz.

Zwischen dem (Phosphor-) Screen (Breite z. B. 40 mm) und dem Sensor wird in einer Ausführungsform'bevorzugt ein fiberopti- scherQuerschnittswandler (mit einem Verhältnis von zum Bei- spiel 40/25) eingebaut, der das Bild (Spektrum) im Beispiels- fall verkleinert. Es gelingt so eine Anpassung an die geo- metrischen Abmessungen des Sensors. Diese fiberoptische Abbil- dung ist im Vergleich zu einer Abbildung mittels Linsen we- sentlich lichtstärker und daher für diese Anwendung vorzuzie- hen.

Da die erlaubte Ausgangsintensität des offenen MCP-Detektors bei Aussteuerung bis an dessen Linearitätsgrenze regelmäßig nicht ausreicht, um den Sensor S3904 (full capacity 25 pC) hinreichend auszusteuern, wird zwischen fiberoptischem Quer- schnittswandler und Sensor ein Bildverstärker erster Genera- tion ("Diode") mit fiberoptischen Ankopplung in einer weite- ren Ausgestaltung zwischengeschaltet, der ohne wesentliche Einbußen in der Ortsauflösung eine zusätzliche lineare Licht- verstärkung um einen Faktor 10-15 zu bewirken vermag.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Kamerakopfes beschrieben.

Der Betrieb des eingesetzten Zeilenarrays S3904-F mit der zu- gehörigen Platine C4069 von Hamamatsu erfordert zwei Sorten von Triggersignalen, welche von außen zugeführt werden müssen : Am Eingang"master start"muss ein Triggerpuls zum Start eines Spektrums angelegt werden. Am Eingang"master clock"müssen 6 Triggerpulse pro Pixel anliegen, um die auf einem Pixeln auf- gesammelte Ladung"herauszuschieben". Eine Messung von 1000 Spektren pro Sekunde erfordert also eine neben dem Triggersig- nal für die Spektrenrate (1 kHz) zusätzlich ein Triggersignal mit dem 6fachen der Pixelrate, was bei 1024 Pixel sowie 1000 Spektren pro Sekunde eine Triggerfrequenz von knapp oberhalb von 6 MHz ergibt. Für diese Aufgabe wurde ein kommerziell er- hältlicher Standard-Quartz (6.55 MHz) ausgewählt. Der unter oben zuvor beschriebene Aufbau erlaubt es bereits, bei Anlegen solcher geeigneter Triggerpulse an die Platine C4069 primitive Spektren z. B. an einem Oszilloskop zu beobachten (Signalaus- gang"data video"bzw."video out"). Allerdings ist die Sig- nalform von"video out"durch eine Kette von zeitlich kurzen, im folgenden so bezeichneten"Nadelpulsen" (zeitliche Halb- wertsbreite ca. 100 ns), gegeben, die messtechnisch nur schwierig erfasst werden können. Das-eigentlich zu messende physikalische Rohsignal ist die auf einem Pixel des Zeilenar- rays seit der letzten Messung (voriges Spektrum) aufgesammelte Ladungsmenge. Diese Ladungsmenge ist zu der Fläche unter den Nadelpulsen am Signalausgang"video out"proportional. Die messtechnisch korrekte Erfassung dieser Signale setzt somit voraus, die Nadelpulse zeitlich zu integrieren, um ein zu de- ren Fläche proportionales Signal zu gewinnen. Nach der Messung des integrierten Signals muss dieses dann gelöscht werden, um

die Schaltung vor dem nächsten zu messenden Nadelpuls zurück- zusetzen (geschalteter Integrator). Da die Nadelpulse kurz sind und das Analogsignal zwischen zwei Nadelpulsen der Span- nung Null entspricht, kann auf einen weiteren Analog-Schalter vor dem Eingang des Integrators verzichtet werden.

Figuren 1 und 2 verdeutlichen den grundsätzlichen Aufbau.

Die nachfolgenden Figuren verdeutlichen die Elektronik.

Nachfolgend wird ein Beispiel für ein Analogteil der In- tegratorschaltung näher beschrieben.

Kommerziell erhältlich sind ICs mit geschalteten Integratoren (z. B. Burr-Brown IVC 102), die bei einer Zeitkonstante ("Settling time") von 6 us maximal die Integration von 105 Pul- sen pro Sekunde erlauben, das ist für die erfindungsgemäße An- wendung eine Größenordnung zu langsam. Daher wird erfindungs- gemäß für diese Aufgabe eine Schaltung aus diskreten Bauteilen bereitgestellt, die aus den Figuren zu entnehmen ist.

Herzstück ist ein geschalteter (invertierender) Integrator, der aus dem schnellen Operationsverstärker IC2 (Burr-Brown OPA655,400 MHz), einem Widerstand R3 (300) und einem Konden- sator C9 (162 pF) besteht, wobei dem Kondensator C9 zur Lö- schung ein schneller Schalter IC3 (Siliconix DG 612) parallel geschaltet ist. Dem Integrator ist zur Pegelanpassung, Impe- danzwandlung und Invertierung der analogen Eingangssignale (das sind die Nadelpulse aus der Platine C4069, angeschlossen an Buchse Bl) ein invertierender-Verstärker ICI (ebenfalls OPA 655) vorgeschaltet. Bei offenem Schalter integriert der In- tegrator die anliegende Eingangsspannung gemäß Uaus =-(1/RC) f Ueindt + U0.

Die Wahl von R3 und C9 führt zu einer Zeitkonstante RC » 50 ns, die etwas kleiner als die Halbwertsbreite der Nadelpulse gewählt ist, um bereits kurze Zeit nach dem Peak des Nadelpul- ses ein praktisch zeitlich konstantes Ausgangssignal vorliegen zu haben. Sie darf jedoch nicht zu klein gewählt werden, um ein Übersteuern des Operationsverstärkers im Integrator zu vermeiden.

Die Löschung der integrierten Spannung (Rücksetzung des Kon- densators auf den Anfangswert Uo = 0) erfolgt durch Schließen des Schalters IC3. Im Stromkreis zwischen Kondensator und Schalter liegen die Widerstände R5'und R6 (jeweils 44 Ohm), die zusammen mit dem Innenwiderstand des Schalters (45 Ohm) dafür sorgen, dass beim Löschen des Kondensators der erlaubte Maximalstrom im Schalter IC3 (I> = 30 mA) nicht überschritten wird : Für den Integrator-OP gilt U «-3. 5 Volt, mit Rgest = (2*44+45) Ohm ist Inax = 26 mA. Andererseits gilt für die Zeit- konstante des Integratorkreises RC = 21 ns, sodass eine weit- gehende Entleerung des Kondensators auf eine Spannung unter- halb 0.1 % des Anfangswertes innerhalb von ca. 160 ns erreicht wird, d. h. der nächste Messwert ist vom Wert seines Vorgängers unabhängig. Das integrierte Mess-Signal wird schließlich über den Leistungstreiber IC4 (Elantec EL 2003) an eine BNC-Aus- gangsbuchse (B2) ausgegeben, wobei der Baustein IC4 den An- schluss einer langen (hier 30 m) BNC-Leitung mit 50 Ohm-Ab- schluss ermöglicht.

Die Triggerelektronik auf der Integratorplatine ist wie folgt aufgebaut.

Auf der Integratorplatine sind Elemente der Triggerelektronik

untergebracht, die zum zeitrichtigen Schalten des Integrators (integrieren/löschen) sowie für die Ausgabe eines Triggerpul- ses für die anzuschließende Datenerfassung dienen. Von Platine C4069 kommend wird ein Triggersignal (ein Puls pro Pixel) über Buchse B4 eingespeist. Dieses Eingangssignal wird an die ICs 5 und 6 verzweigt. An IC5 (Monoflop 74HC221) wird der Puls zum Schalten des Integrators erzeugt, wobei mit dem Potentiometer P 1 der Startzeitpunkt des Löschpulses (eingestellt : 550 ns nach dem Peak des Nadelpulses) sowie mit Potentiometer P2 die Dauer des Löschpulses (eingestellt : 160 ns) stufenlos einge- stellt werden kann. An IC 6 (Timerbaustein 74HC221) wird der Triggerpuls für die anzuschließende Datenerfassung erzeugt, wobei mit Potentiometer P3 dessen Startzeitpunkt (einge- stellt : 500 ns) und mit P4 die Pulslänge (eingestellt : 100 ns) eingestellt werden können. Dieser Triggerpuls wird über den Treiber IC8 an die BNC-Buchse B3 ausgegeben. Die Löschung des integrierten Signals erfolgt also kurz (50 ns) nach dessen Messung, und der Integrator ist dann rechtzeitig (ca. 710 ns nach dem Peak des vorherigen Pulses) wieder messbereit.

Die externe Triggerung wird nun erläutert.

Die Messung von genau 1000 vollständigen Spektren pro Sekunde erfordert das Zuführen eines Triggersignals für die Spektren- rate ("master start", 1 kHz) sowie zusätzlich ein weiteres Triggersignal ("master clock") bestehend aus genau 6*1024 Pulsen, die innerhalb einer Periode von weniger als 1 ms an- liegen müssen (sonst überlappen die auszulesenden Pixel be- reits mit dem zeitlich nächsten Spektrum). Das Datenblatt zu C4069 erlaubt eine master clock von maximal 6*2 MHz, aller- dings wurde erfindungsgemäß eine Frequenz von 6.55 MHz ge- wählt, um die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nadel- pulsen soweit wie möglich zu vergrößern und das Timing für den

Betrieb des Integrators zu vereinfachen. Die beiden für die C4069 benötigten Clockfrequenzen können mittels programmierba- ren Pulsgeneratoren erzeugt werden.

Um eine galvanische Potentialtrennung zwischen den Pulsgenera- toren und dem Kamerakopf zu gewährleisten (dies ist nötig zur Vermeidung von"Erdschleifen", die zu Störungen am Messsignal führen könnten), werden die Pulse"master start"und"master clock"zunächst über die BNC-Buchsen B5 bzw B8 und schnelle Optokoppler (IC9, IC 10, jeweils OPTOIS01) geführt. Das"master start"Signal wird ferner an IC7 (74S140) invertiert, beide Signale werden dann über die Buchsen B6 bzw. B7 an die Platine C4069 weitergeleitet. Diese Optokoppler wurden aus Platzgrün- den auf der Integratorplatine untergebracht.

Nachfolgend wird die Spannungsversorgung näher beschrieben.

Die Integratorplatine benötigt zum Betrieb hochstabilisierte <BR> <BR> DC-Spannungen +5 V,-% V, +15 V, -15 V und +6 V, die auf einer separaten Platine (innerhalb des Kamerakopfes) erzeugt werden.

Ein mechanisches Gehäuse enthält die Platinen C4069, Integra- torplatine und Spannungsversorgungsplatine. Die Platine C4069 ist beweglich montiert und wird bei Montage des Kamerakopfes an das Spektrometer mittels einer einfachen Federmechnik an den Ausgang des fiberoptischen Kopplers am MCP-Detektor ange- drückt, um einen guten optischen Kontakt zwischen den beiden Lichtleitern (Eingangsfenster des Zeilenarrays/fiberopti- scher Koppler) zu erreichen. Von aussen wird eine Wechselspan- nung (zweimal 18 Volt) über eine isolierte Steckbuchse in das Gehäuse eingeführt. Ferner gibt es isolierte BNC-Buchsen für die Triggereingänge (master start und master clock), den Trig- gerausgang und das integrierte Analogsignal.

Maßnahmen zur Abschirmung elektrischer und magnetischer Stö- rungen sind wie folgt vorgesehen.

Beim Betrieb des Kamerakopfes am Plasmaexperiment TEXTOR ist mit dem Auftreten erheblicher elektromagnetischer Störungen, gegen die der Kamarakopf abgeschirmt werden muss. Zur Abschir- mung des Kamerakopfes gegen diese Störungen wurden folgende Maßnahmen ergriffen : Metallgehäuse (Aluminium) des Kamerakopfes zur Abschirmung elektromagnetischer Felder. Ein weiteres umge- bendes Metallgehäuse (Weicheisen) zur Abschirmung gegen magne- tische Felder. Alle BNC-Kabelverbindungen zwischen Kamerakopf und Datenerfassung/Triggerung werden als 30 m langer Kabel- strang in einem gemeinsamen Kupferrohr ausgeführt. Die Signal- masse für den Kamerakopf wird von einer Erdschiene am Datener- fassungs-PC abgeschirmt zum Kamerakopf geführt. Alle anderen Anschlüsse des Kamerakopfes erfolgen erdfrei bzw. isoliert.

Mit diesen Maßnahmen wird insgesamt erreicht, dass die Analog- signale des Kamerakopfes mit einem Rauschlevel von weniger als 1 mV gemessen werden können, während-gleichzeitig die Position der Spektren auf dem Zeilenarray (Zuordnung zwischen Pixelnum- mer und Wellenlänge) stabil bleibt.

Zur Aufzeichnung der Spektren wird kommerzieller Windows-95 PC mit einer Datenerfassungskarte des Typs T112-4 (Fa. Imtec, 71522 Backnang) und Datenerfassungssoftware INSIGHT (Imtec) verwendet. Das System kann die Analogdaten von bis zu 4 Kanä- len simultan bei externer Triggerung (hier : ca. 1. 08 MHz) kontinuierlich mit 12 bit Auflösung aufzeichnen und im RAM des PC zwischenspeichern. Bei einer Größe des RAM von 256 MB werden an TEXTOR die Daten von 3 angeschlossenen Kameraköpfen konti- nuierlich über 10 Sekunden Gesamtmessdauer aufgezeichnet. Die Analogbandbreite der Karte von 500 kHz führt dazu, dass die digitalisierten Messwerte einen zeitlichen Mittelwert über das Analogsignal des Kamerakopfes erfassen, wobei die Mittelungs-

dauer ungefähr 350 ns beträgt. Diese Zeit entspricht ungefähr der zeitlichen Dauer, während der das integrierte Analogsignal des Kamerakopfes zwischen dem Ende des Nadelpulses und dem Start des Löschpulses einen zeitlich konstanten Wert annimmt.

Die verwendete Datenerfassung entspricht dem Stand der Technik und ist daher nicht Gegenstand dieses Patentantrages.

Der Kamerakopf arbeitet insgesamt mit einer kontinuierlichen Spektrenrate von 1000 pro Sekunde bei einer Pixelrate von 1.08 MHz und erreicht im praktischen Betrieb einen Dynamikbereich des einzelnen Pixels (Abstand zwischen Rauschen und Aussteue- rungsgrenze) von 10-11 bit. Die oben diskutierte Auslegung der Einzelkomponenten führt dazu, dass die Grenze des Linearitäts- bereiches des MCP gerade dann erreicht wird, wenn der IC OPA655 in der Integratorplatine seine Sättigung (ca. 3 Volt) erreicht. Beim Betrieb mit der Datenerfassung (Messbereich . 0... 5 Volt) entspricht das einem nutzbaren Linearitätsbereich von 2000 counts bei etwa 1 count Rauschen (d. h. 11 bit nutz- bare Auflösung des Gesamtsystems).

Bezugszeichenliste 1 Beugungsgitter 2 Eingangsspalt 3 Fokalebene 4 MCP 5 Screen <BR> <BR> 6 Fiberoptischer Koppler 7 Bildverstörker 8 S 39Q4-F 9 C 4069 10 Integratorplatine 11 DC-Versorgung 12 Integratorplatine 13 Erweiterungsplatine<BR> 14 Invertierer<BR> 15 Pulsformer<BR> 16 Leitungstreiber<BR> 1 7 ! Analogschalter<BR> 18 Opto-Koppler