Promieniowanie synchrotronowe i jego zastosowania. Wykład II

Transkrypt

1 Universitas Jagellonica Cracoviensis Promieniowanie synchrotronowe i jego zastosowania Wykład II J.J. Kołodziej Pokój: G-0-11, IFUJ Łojasiewicza 11 Tel jj.kolodziej@uj.edu.pl Wykłady na WBBB, semestr zimowy 2015/201

2 Mapa ośrodków promieniowania synchrotronowego na świecie. Strona internetowa lightsources.org kieruje do 50-ciu centrów promieniowania synchrotronowego w 23 krajach. około 30-tu jest rzeczywiście aktywnych

3 Elektrony krążą po orbicie z prędkością bardzo bliską prędkości światła (ultrarelatywistyczne).. takie elektrony emitują promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie długości fali (energii fotonów) e - Advanced Light Source w Chicago (ALS) są synchrotrony duże i małe Singapore Synchrotron Light Source (SSLS)

4 Dot in text Accelerator based sources Frequency (Hz) photon Lightsources.org

5 Eksperymenty z wiązką promieniowania elektromagnetycznego Wiązka pierwotna Atomy, cząsteczki, jony Fotoelektrony i elektrony augerowskie Promieniowanie rozproszone elastycznie Fluorescencja Próbka Promieniowanie przechodzące Mikroskopie, dyfraktometrie, spektroskopie, mikrospektroskopie -> nanospektroskopie.. Badania z zakresu fizyki, biofizyki, astrofizyki, chemii, biochemii, biologii, inżynierii materiałowej, archeologii, historii sztuki, medycyny promieniowanie synchrotronowe to uniwersalne narzedzie badawcze

6 Dla eksperymentów z wiązkami najbardziej istotne są: Radiancja (L) W/(sr m 2 ) 1/(sr m 2 ) Strumień promieniowania na jednostkę powierzchni i jednostkę kąta bryłowego lub liczba cząstek na jedn. powierzchni i jedn. kąta bryłowego dla prom. monochrom. Irradiancja (E) W/m 2 Strumień promieniowania (lub liczba cząstek na jednostkę czasu) padający na powierzchni Radiancja spektralna (L l ) Irradiancja spektralna (E l ) W/(sr m 3 ) 1/(sr m 3 ) W/(sr m 3 ) 1/(sr m 3 ) Gęstość spektralna strumienia promieniowania na jednostkę powierzchni i jednostkę kąta bryłowego Gęstość spektralna strumienia promieniowania na jednostkę powierzchnię Najważniejsza jest radiancja jeśli mamy dużą radiancję to możemy też uzyskać dużą irradiancję

7 powierzchnia kąt bryłowy D L D s D DsD jest niezmiennikiem optyki geometrycznej. Nie można powiększyć jasności (radiancji) źródła promieniowania (jasności wiązki światła) za pomocą soczewki/układu soczewek Potrzebne są źródła/wiazki o jak największej jasności ponieważ tylko takie dają się dowolnie formować aby np. otrzymywać duże irradiancje bardzo wazne w mikroskopii i nanotechnologii (Aby rozsądnie oświetlić element o wymiarach 1nmx1nm, irradiancje muszą być gigantyczne) Jasność (radiancja) wiązki idealnie równoległej jest nieskończona lasery

8 Promieniowanie synchrotronowe => =>jasne wiązki promieniowania UV, X, Ir, Thz

9 Trace of the x-ray synchrotron light from the National Synchrotron Light Source, Brookhaven Labs.

10

11 Jak działa synchrotron Schemat źródła promieniowania synchrotronowego Na końcu elektrony trafiają do pierścienia akumulacyjnego, gdzie następuje dokładne uformowanie wiązki. Energię elektronów podtrzymuje wnęka rezonansowa. Kształt wiązki jest zapewniony przez odpowiednią sieć magnesów. Magnesy korekcyjne kwadrupolowe sextupolowe oktupolowe Pierścień akumulacyjny Wnęka rezonansowa Booster Liniak Źródło elektronów Linia Stacja eksperymentalna Booster przyśpiesza elektrony do energii GeV. W takim zakresie energii pracuje większość źródeł promieniowania synchrotronowego Magnes dipolowy Liniak przyśpiesza elektrony do energii ok. 300 MeV lu % prędkości światła. Tu następuje też uformowanie wiązki w pakiety. Iniekcja zaczyna się od wytworzenia wiązki elektronów ze źródła termoemisyjnego lub fotoemisyjnego. Wiązka jest formowana przez układ soczewek i kierowana w stronę pierwszego akceleratora

12 Jak powstaje promieniowanie synchrotronowe

13 Elektrony krążą po orbicie z prędkością bardzo bliską prędkości światła (ultrarelatywistyczne).. takie elektrony emitują promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie długości fali (energii fotonów) e -

14 Źródła promieniowania synchrotronowego: B( z) const ( ok. 1.3T ) B( z) B0 cos(2 z / lu )

15 Undulator

16 Undulator w undulatorze elektrony poruszają się w próżni z prędkością przyświetlną oscylują przechodząc pomiędzy listwami z magnesami.

17 W układzie źródła (średniego położenia elektronu) przesuwające się listwy z magnesami powodują oscylacje elektronu w płaszczyźnie poziomej V

18 Promieniowanie niestacjonarnych ładunków (antena) -Oscylujący elektryczny moment dipolowy : p = p o e iwt : Taki oscylujący dipol emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Promieniowanie to jest monochromatyczne Rozkład kątowy mocy wypromieniowanej (dp/d ) : dp d c k 8 4 p 0 2 sin 2 ; k w / c c: prędkość światła, w: częstość kołowa : kąt azymutalny mierzony do wektora p 0 p Emitowane promieniowanie jest spolaryzowane (zgodnie z kierunkiem drgań) - Opis poprzez chwilowe przyśpieszenie: a = dv/dt): a dp d 2 e dv 3 4 c dt 2 sin 2 Emitowane promieniowanie jest spolaryzowane zgodnie z kierunkiem przyśpieszenia. Rozkład kątowy mocy wypromieniowanej jest taki sam jak w poprzednim przypadku: (J.D. Jackson: Elektrodynamika klasyczna )

19 Relatywistyczna transformacja częstotliwości promieniowania (relatywistyczny efekt Dopplera) Promieniujący elektron porusza się do obserwatora z prędkością V V Układ źródła (elektronu) Układ obserwatora (LAB) o Z Gdy do obserwatora O1 zbliża się z prędkością b=v/c źródło światła (Z) wysyłające harmoniczną falę świetlną o częstotliwości v 0 wówczas mierzy on częstotliwość v= (1+b)v 0 1 V 1 c 2 2

20 W układzie elektronu przesuwające się listwy z magnesami powodują oscylacje elektronu z w płaszczyźnie poziomej V N okresów na długości L w układzie LAB l u L N Poruszająca się z przyświetlną prędkością listwa podlega relatywistycznej kontrakcji w kierunku ruchu. stąd elektron widzi okres: Zatem elektron w swoim układzie drga z częstotliwością: Transformując z powrotem do układu LAB dostajemy: ' 2 2c l u c l u l ' u L l u N l l 2 u 2 lub

21 Relatywistyczna transformacja rozkładu kątowego promieniowania Układ odniesienia elektronu Laboratoryjny układ odniesienia ~ 2 ~ 2 1 Transformacja do układu laboratoryjnego powoduje koncentrację promieniowania wewnątrz wąskiego stożka o rozwarciu 2 1 [ =(1-v 2 /c 2 ) -1/2 ] Transformacja ta zachowuje kierunek drgań pola (polaryzację fali elektromagnetycznej) Radiancja (jasność) wiązki fotonów ( ~1/D ) mnoży się przez czynnik 2 (J.D. Jackson: Elektrodynamika klasyczna )

22 Wartości czynnika relatywistycznego dla promieniowania synchrotronowego i rozwartości stożka promieniowania (zakres typowych energii elektronów krążących w synchrotronach zaznaczono na żółto) V/c E [MeV] Df [Rad] Df [deg] 0, ,01 0,51 1, , , ,15 0,59 1, , , ,29 1,17 0, , , ,09 3,62 0, , , ,16 0, , , ,13 0, , , ,10 0, ,1218 0, , , , , , , , , , , , , ,75173E-4 0, , ,18841E-4 0, , ,76754E-4 0, , ,95695E-4 0,01122 Ze względu na duże wartość czynnika synchrotrony emitują ekstremalnie jasne wiązki a undulatory ekstremalnie jasne wiazki monochromatyczne [czerwony rząd SOLARIS]

23 Dokładne wzory na energię promieniowania undulatora itp nadobowiązkowe Mamy pole periodycznej struktury magnetycznej: Podstawowy parametr charakteryzujący ruch elektronu: K<<1; idealny undulator, K>>1 idealny wiggler Za jego pomocą możemy określić maksymalne odchylenie trajektorii elektronu od osi: B( z) B0 cos(2 z / lu ) K K / Dla nieidealnego (rzeczywistego) undulatora mamy poprawkę na długość fali podstawowego promieniowania: eb0lu 2 m c l 1 e K 0.934l [ cm ] B 0[ T ] 2 1 K lu 2 2 u Oraz wyrażenie na energię podstawowego promieniowania: E [ GeV ] 1[ kev ] [ kev ] 2 1 K / 2 [ cm] l u Energię 1 możemy stroić poprzez zmiany E, l u lub K w praktyce można wygodnie zmieniać tylko K l u wykorzystuje się do optymalizacji zakresu możliwych energii E jest energią elektronów w synchrotronie tego nie zmienimy ale trzeba to wziąć pod uwagę

24 Róznica pomedzy undulatorem a wigglerem. nadobowiązkowe Podstawowy parametr charakteryzujący ruch elektronu: K eb0lu 2 m c e Za jego pomocą możemy określić maksymalne odchylenie trajektorii elektronu od osi: K / W idealnym undulatorze maksymalny kąt odchylenia trajektorii elektronu od osi undulatora jest dużo mniejszy niż 1/ elektron pozostaje w stożku swojego promieniowania => obserwator w ukladzie LAB widzi całą falę elektromagnetyczna emitowaną przez elektron. W wigglerze ten kąt jest dużo większy niż 1/ stożek światła omiata obserwatora w ukladzie LAB. Widzi on tylko ultrakrótkie błyski podobnie jest w promieniowaniu emitowanym z magnesu zakrzywiającego.

25 Praktyczny undulator to najczęściej coś pośredniego pomiędzy idealnym undulatorem a wigglerem. Np. undulator UARPES w SOLARIS: nadobowiązkowe E [ GeV ] [ kev ] [ ev ] K / 2 l u [ cm] 1 K / 2 l u [ cm] Moc promieniowania undulatora 2 2 ~ N K l ustalono na 120 mm, mieści się 21 okresów (N=21) u E [ GeV ] kev ] [ ev ] [ 2 u 2 1 K / 2 l [ cm] 1 K / 2 K=6.5 dla 8 ev; K=1.2 dla 100 ev ani to undulator ani wiggler (założony zakres energii fotonów: ev) eb l 0 u ( 0.934l [ cm] B0[ T] B [ ])] 2 m c T u [ K 0 e

26 Fot/s/0.1% BW nadobowiązkowe Symulowane, pełne widmo promieniowania rzeczywistego undulatora harmoniczne! 8 ev, horiz. Pol. Bruno Diviacco (ELETTRA) [ 1 ]

27 nadobowiązkowe Undulator typu APPLE II pozwala dowolnie formować promieniowanie elektromagnetyczne [strojenie energii fotonów i polaryzacji ]

28 nadobowiązkowe Sterowanie polaryzacją promieniowania undulatora typu APPLE II. Cztery listwy z magnesami zamiast dwóch. cztery magnesy o różnych orientacjach na okres Konfiguracja równoległa (faza 0), w pobliżu osi wektor indukcji magnetycznej pionowy trajektoria elektronu w płaszczyźnie poziomej. Wektor polaryzacja promieniowania undulatora poziomy (transformacja do układu LAB nie zmienia polaryzacji)

29 Sterowanie polaryzacją promieniowania undulatora typu APPLE II. nadobowiązkowe Faza ¼, wektor indukcji magnetycznej wiruje wokół osi trajektoria elektronu stanowi linię srubową. Kołowa polaryzacja promieniowania undulatora

30 Sterowanie polaryzacją promieniowania undulatora typu APPLE II. nadobowiązkowe Konfiguracja antyrównoległa (faza 1/2), wektor indukcji magnetycznej poziomy trajektoria elektronu w płaszczyźnie pionowej. Wektor polaryzacja promieniowania undulatora pionowy Trybów pracy jest więcej. ustawiając odpowiednio fazy listw magnetycznych można dowolnie obracać wektor polaryzacji liniowej lub otrzymać polaryzacje eliptyczne.

31 Promieniowanie synchrotronowe (dipolowe) lub z wigglera. orbita elektronu przyśpieszenie dośrodkowe wiązka promieniowania synchrotronowego Prostopadle do wektora przyspieszenia zakrzywiającego tory elektronów (np. przy przejściu przez pole magnetyczne) emitowane jest promieniowanie elektromagnetyczne w wąski kąt bryłowy (w układzie laboratoryjnym, w danej chwili )

32 Promieniowanie niestacjonarnych ładunków - Opis poprzez chwilowe przyśpieszenie: a = dv/dt): a dp d 2 e dv 3 4 c dt 2 sin 2 Emitowane promieniowanie jest spolaryzowane zgodnie z kierunkiem przyśpieszenia. Rozkład kątowy mocy wypromieniowanej jest taki sam jak w poprzednim przypadku: (J.D. Jackson: Elektrodynamika klasyczna )

33 Magnes zakrzywiający (dipol), wiggler - szerokie widmo promieniowania... (Magnes zakrzywiający, wiggler) Obserwator widzi krótki błysk Błysk reprezentujemy przez pakiet falowy DtDw 2 Widmo częstości tworzacych pakiet Dw Dt=10-19 s Dw=10 19 s -1 / 2 DE Dw= 5 kev

34 Magnes zakrzywiający, wiggler widmo promieniowania 18.6 l c [ angstrom] 2 B[ T] E 2 [ GeV ] 2 c (max) 0.665E [ GeV ] B0[ T]

35 Linia promieniowania formowanie wiazki

36 Monochromator: nadobowiązkowe

37 nadobowiązkowe 180 mm x 13 mm (=> 400 mm x 150 ev 267 mm x mm Toroidal Cylindrical Toroidal 260 mm x mm (PGM) 340 mm x 60 mm (NIM) Cylindrical Toroidal Toroidal mm

38 Przykładowe zastosowania

39 Charakterystyka promieniowania synchrotronowego - podsumowanie Naturalnie skolimowana wiązka fotonów (łatwa monochromatyzacja, dyfrakcja) Wysoka jasność i użyteczny strumień (mikroskopia, rozdzielczość energetyczna) Szerokie spektrum (funkcje wzbudzenia, zależności energetyczne, optymalizacja wzbudzenia, płynna zmiana częstotliwości ) Impulsowa struktura czasowa (zależności czasowe) Duże energie kwantów promieniowania (badania w zakresie twardego prom. X) Małe energie kwantów promieniowania (badania w zakresie podczerwieni i THz) Kontrolowana polaryzacja (przejścia struktury nadsubtelnej) Koherencja (obrazowanie, holografia struktury 3D)

40 Badania z wykorzystaniem promieniowania w zakresie terahercowym

41 Badania z wykorzystaniem promieniowania w zakresie terahercowym

42 Np. krystalografia makromolekularna goniometr próbka Wiązka promieni X Numeryczne metody rekonstrukcji gęstości elektronów

43 Obrazowanie wiązką częściowo spójną kontrast fazowy Możliwe równoczesne obrazowanie np. miękkich tkanek i kości, elementów plastikowych zamkniętych w pancernych skrzynkach itp..

44 Odkrywanie... Zatartych liter wykutych w kamieniu.. Si Fe Zamalowanych obrazów...

45 Deutsches Elektronen-Synchrotron in Hamburg and the Kröller-Müller Museum, TU Delft materials expert and art historian Dr Joris Dik, and University of Antwerp chemistry professor Koen Janssens

46 Badanie lokalnego otoczenia atomu domieszkowego Płynna zmiana energii fotonów w szerokim zakresie

47 Mikroskopia za pomocą miękkiego promieniowania X okno wodno-węglowe

48 Obrazowanie z użyciem miękkiego promieniowania X W. Meyer-Ilse et al. Lawrence Berkeley National Laboratory ALS Soczewki Fresnela Dla promieniowania X (Nanotechnologia)

49 Koniec