Promieniowanie synchrotronowe właściwości i zastosowania

Transkrypt

1 Promieniowanie synchrotronowe właściwości i zastosowania Dominik Senczyk Dominik.Senczyk@put.poznan.pl 1. Natura i właściwości promieniowania synchrotronowego Promieniowanie synchrotronowe jest promieniowaniem elektromagnetycznym emitowanym przez elektrony lub pozytony poruszające się z relatywistycznymi prędkościami, gdy zmianie ulega kierunek ich ruchu. Emisja tego promieniowania następuje albo podczas zmiany kierunku ruchu w tzw. magnesach odchylających (zakrzywiających) albo poprzez wymuszenie odpowiedniego, krzywoliniowego ruchu elektronów w specjalnych urządzeniach, tzw. urządzeniach wstawkowych (insertion devices - wigglery lub ondulatory). Promieniowanie jest emitowane w wąskim stożku wokół kierunku stycznego do orbity poruszającego się elektronu. Kątowa rozwartość tego stożka maleje ze wzrostem prędkości elektronów. Pokazuje to wzór dla wielkości 1/, która określa rozbieżność wiązki promieniowania (v, c prędkość elektronu i światła): 1 2 v 1. c A więc ze wzrostem prędkości v elektronów maleje wartość powyższego pierwiastka, czyli maleje rozbieżność wiązki 1/. Promieniowanie synchrotronowe wykazuje szereg unikatowych własności, którymi znacznie przewyższa, zwłaszcza w niektórych obszarach widma, klasyczne źródła promieniowania elektromagnetycznego. Wykazuje ono między innymi następujące cechy: 1) bardzo duże natężenie, a wobec małego obszaru, z którego następuje emisja, oznacza to również nadzwyczajną świetlność powierzchniową źródła (brightness, brillance) (rys. 1, 2). W obszarze rentgenowskim widma, jego natężenie o wiele rzędów wielkości przewyższa natężenie promieniowania lamp rentgenowskich; typowe źródła 3. generacji mają światłość większą niż: foton / s mm mrad 0,1%BW, gdzie 0,1%BW odpowiada szerokości pasma 10 3 o częstotliwości. Wykazuje też, będącą wynikiem relatywistycznej kinematyki, bardzo dobrą kolimację, która pozwala na prowadzenie badań lub analizę chemiczną składu materiałów z bardzo dobrą przestrzenną zdolnością rozdzielczą, 1

2 Rys. 1. Średnia jasność wiązki promieniowania synchrotronowego s / mm uzyskiwanego w synchrotronach 1., 2. i 3. generacji 2 foton 3 / mrad / 0,1%sz. p. W celu opisu cech wiązki promieniowania synchrotronowego definiuje się strumień świetlny jako natężenie światła wysyłane w pełny kąt bryłowy oraz jasność spektralną źródła jako strumień promieniowania wysłany z jednostkowej powierzchni źródła w jednostkowy kąt bryłowy i w jednostkowym przedziale energii promieniowania ΔE lub, co jest równoważne, w jednostkowym przedziale długości fali Δλ. Zwyczajowo podaje się jasność na względną szerokość widmową = 0.1% pasma Jednostka - fotony/s mm 2 mrad 2 (0.1%BW). 2

3 Rys. 2. Maksymalna jasność wiązki promieniowania synchrotronowego uzyskiwanego w różnych synchrotronach 2) szeroki zakres spektralny (rys. 3) od promieniowania w dalekiej podczerwieni o długości fali rzędu λ 10 5 Å do twardego promieniowania rentgenowskiego o długości fali λ < 1 Å. Rys. 3. Widmo promieniowania elektromanetycznego emitowanego przez źródła synchrotronowe 3

4 Rys. 4. Rozkład energetyczny jasności spektralnej promieniowania synchrotronowego dla kilku pierścieni akumulacyjnych. W nawiasach podano dane, dla których dokonano pomiarów jasności spektralnej: 1 - DORIS (5 GeV, 100 ma), 2 - SRS (2 GeV, 685 ma), 3 - NSLS (2.5 GeV, 500 ma), 4 - ESRF (5 GeV, 565 ma). 3) określoną strukturę czasową. Ponieważ przyśpieszone elektrony poruszają się w przestrzennie rozdzielonych pakietach, promieniowanie synchrotronowe jest emitowane w formie krótkich impulsów, których czas trwania jest zwykle poniżej 1 ns. Czas trwania tych impulsów jak i odległość między nimi może być regulowana. Własność ta umożliwia prowadzenie badań dynamiki różnych układów z nanosekundową rozdzielczością czasową. Strukturę czasową promieniowania synchrotronowego pokazuje rys. 4. Promieniowanie jest emitowane impulsami o czasie trwania 70 ps w odstępach co 2 ns. Rys. 4. Struktura czasowa promieniowania synchrotronowego 4) polaryzację. Promieniowanie synchrotronowe w płaszczyźnie zakrzywionego toru jest w naturalny sposób spolaryzowane liniowo. Istnieją możliwości otrzymania promieniowania o innej polaryzacji, np. kołowej. 2. Budowa i działanie synchrotronu Zasadnicze elementy synchrotronu pokazano na rys. 5. Elektrony są wstrzykiwane ze specjalnego generatora do akceleratora liniowego gdzie zostają wstępnie przyśpieszone. Dalej wiązka elektronów zostaje przyśpieszona do pełnej końcowej energii (od kilkuset MeV do kilku GeV) w akceleratorze kołowym (booster synchrotron) i wprowadzona do pierścienia akumulującego. 4

5 Wiązki promieniowania synchrotronowego, wyemitowane w odcinkach pierścienia akumulującego, w których następuje zakrzywienie toru elektronów, są wyprowadzane do różnego typu linii eksperymentalnych. Zależnie od potrzeb zawierają one monochromatory, kolimatory lub inne elementy optyczne służące do uzyskania wiązki promieniowania o parametrach potrzebnych w danej metodzie. Każda linia kończy się stacją, gdzie rozmieszczona jest aparatura do prowadzenia konkretnych badań. Rys. 5. Budowa źródła promieniowania synchrotronowego: 1 - generator elektronów, 2 - akcelerator liniowy, 3 - akcelerator kołowy (booster-synchrotron), 4 - pierścień akumulujący, 5 linia, 6 - stacja eksperymentalna Odpowiedni kształt orbity elektronowej w pierścieniu akumulacyjnym formują sekcje magnesów odchylających, oddzielonych odcinkami prostymi, na których elektrony poruszają się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Magnesy odchylające są jednym ze źródeł promieniowania synchrotronowego. Proste odcinki pierścienia akumulującego są wykorzystywane do montowania wigglerów lub ondulatorów (tzw. insertion devices), które w zasadniczy sposób zwiększają intensywność i stopień kolimacji emitowanego promieniowania (rys. 6). Urządzenia te stanowią okresowy układ magnesów stałych lub nadprzewodzących o odpowiedniej geometrii. Charakterystykę emitowanego promieniowania określają dwa parametry: rozłożenie magnesów (okres l u [cm]) i wartość indukcji wytwarzanego pola magnetycznego B 0 [T]. Z tego względu rozróżnia się dwa typy urządzeń wstawkowych: wigglery i ondulatory (rys. 7), przy czym ilościowym wskaźnikiem odróżniającym te reżimy pracy jest wartość współczynnika κ proporcjonalnego do iloczynu indukcji pola magnetycznego B 0 i okresu układu magnesów l u : 0,934B l 0. Rysunek 7 przedstawia schematycznie tor elektronów wymuszony przez odpowiedni układ magnesów. Dla 1 urządzenie działa jak wiggler, natomiast dla 1 odpowiada ondulatorowi. Rozwartość stożka emisji jest równa odwrotności czynnika Lorentza 1 2 v 1, gdzie v, c prędkość elektronu i światła w próżni. c u 5

6 Rys. 6. Promieniowanie synchrotronowe z magnesów uginających, wiglerów i undulatorów (promieniowanie z magnesów uginających w każdym punkcie toru elektronu ma inny kierunek) Ee 1957E e GeV 2 mc Rys. 7. Schemat wigglera/ondulatora Na rysunku 8 pokazano porównanie widm promieniowania synchrotronowego emitowanego z magnesu odchylającego, wigglera i różnych ondulatorów w synchrotronie SPring-8 (Japonia). 6

7 Rys. 8. Porównanie widm promieniowania synchrotronowego emitowanego z magnesu odchylającego, wigglera i różnych ondulatorów. U dołu pokazano skalę długości fal i zakres energii kwantów promieniowania synchrotronowego Źródła 4. generacji charakteryzuje natężenie razy większe od uzyskiwanego w synchrotronach 3. generacji i emisja impulsami poniżej 100 fs [2]. Jeżeli za miarę natężenia promieniowania synchrotronowego przyjmiemy liczbę emitowanych fotonów N f, to zależy ono w różny sposób od liczby elektronów N e i liczby magnesów N m. Pokazuje to rys. 9 dla magnesu wygiętego, wiglera, undulatora i lasera FEL. Z prawej strony schematu każdego z nich podano rozkład natężenia emitowanego promieniowania. Z tego zestawienia wyraźnie widać wzrost natężenia tego promieniowania i zmniejszenie szerokości emitowanej wiązki spowodowane wzrostem w kwadracie liczby manesów i również wzrostem w kwadracie liczby elektronów (w przypadku lasera FEL na swobodnych elektronach). 7

8 Magnes wygięty Wigler Undulator Laser FEL Wiązka elektronów Układ magnesów Rys. 9. Rozkład natężenia promieniowania emitowanego z magnesu wygiętego, wiglera, undulatora i lasera FEL (Free-Electron Laser): N f liczba fotonów, N e liczba elektronów, N m liczba magnesów Kolejnym znaczącym efektem relatywistycznym jest to, że wzór promieniowania także odbiega od izotropowego wzoru dipola (rys. 10 z lewej strony) w nierelatywistycznej teorii, dając skrajnie skierowany do przodu stożek promieniowania synchrotronowego emitowanego stycznie do toru cząstki w stożku o kącie rozwarcia Θ (rys. 10 z prawej strony). To sprawia, że promieniowanie synchrotronowe jest jednym z najjaśniejszych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Przyspieszenie w geometrii płaskiej powoduje, że promieniowanie jest spolaryzowane liniowo w płaszczyźnie orbitalnej oraz kołowo pod niewielkim kątem względem tej płaszczyzny. Rys. 10. Emisja dipola nierelatywistycznego (z lewej) i promieniowania synchrotronowego (z prawej) 8

9 3. Krótka historia promieniowania synchrotronowego i jego wytwarzania 1944 D. Iwanienko i I. Pomerańczuk przewidują istnienie promieniowania synchrotronowego (wtedy jeszcze nie stosowano tej nazwy) 1945 duże straty energii przy przyspieszaniu elektronów w betatronie w synchrotronie elektronowym General Electric Research Laboratory po raz pierwszy zaobserwowano promieniowanie synchrotronowe (pierwotnie uznane za promieniowanie Czerenkowa); Elder i wspólpracownicy (rys. 11, 12) 1956 P. Hartman i D. Tomboulian po raz pierwszy wykorzystują promieniowanie synchrotronowe w badaniach spektroskopowych pierwsza generacja źródeł PS akcelaratory fizyki cząstek elementarnych druga generacja źródeł PS synchrotrony dedykowane do zastosowań PS magnesy zakrzywiające1990- trzecia generacja źródeł PS wigglery i undulatory lasery na swobodnych elektronach Wykryto też astronomiczne źródła promieniowania synchrotronowego: 1950 H. Alfven i N. Herlofson identyfikują nietermiczne promieniowanie z astronomicznych źródeł jako synchrotronowe 1953 I. Szklowski sugeruje, że promieniowanie pochodzące z Mgławicy Kraba jest synchrotronowe 1956 G. Burbidge wykrywa promieniowanie synchrotronowe w dżecie wyemitowanym przez M87 potwierdzając przewidywania Alfvena, Herlofsona i Szklowskiego Rys. 11. Pierścień akumulacyjny synchrotronu wykonany z rurki szklanej, w której w próżni poruszały się przyspieszane synchronicznie elektrony. Zewnętrzna średnica pierścienia wynosiła 21 cali (53,34 cm), a rurka mieściła się w szczelinie magnesu o wysokości 6,35 cm. Średnica orbity elektronów w stanie ustalonym pracy synchrotronu wynosiła 58,4 cm. Od lewej: R.V. Langmuir, F.R. Elder, A.M. Gurewitsch, E.E. Charlton i H.C. Pollock. [3] 9

10 Rys. 12. Zbudowany w 1947 r. w laboratorium General Electric synchrotron 70 MeV z dobrze widoczną wiązką promieniowania synchrotronowego (biała plamka w środku zdjęcia). Główną część zdjęcia zajmują obudowy magnesów, w szczelinie których umieszczony jest pierścień z rurki szklanej przedstawiony na rys. 12. Elektrony przyspieszane są polem o częstości około 163 MHz podawanym synchronicznie do częstości obiegu tych elektronów (stąd pochodzi nazwa synchrotron). Stycznie do pierścienia wychodzi wiązka promieniowania synchrotronowego widoczna w postaci jasnej plamy [4] Undulatory 1947 V.L. Ginzburg opracował podstawy teoretyczne działąnia undulatorów 1953 Hans Motz ze współpracownikami wykonał w Stanford pierwszy undulator, który miał stałe magnesy z okresem 40 mm i odstępem 4 mm. Stosując wiązkę elektronów z akceleratora liniowego, Motz obserwował światło, gdy energia elektronów była rzędu 100 MeV, i promieniowanie o milimetrowych długościach fali przy energiach elektronów 3 MeV W ZSRR zainstalowano dwa undulatory: w synchrotronie Pachra 1,3 GeV w Instytucie Fizyki im. Lebiediewa w Moskwie i synchrotronie Sirius 1,2 GeV w Instytucie Naukowym Fizyki Jądrowej w Tomskim Instytucie Politechnicznym w Tomsku. W obu przypadkach elektrony miały energie kilkaset MeV i obserwowano promieniowanie w widzialnej części widma. Pierwsze nadprzewodzące undulatory: 1975 synchrotron HEPL, Stanford 1979 undulator, ACO, Orsay 540 MeV ,5 T wigler, VEPP3, 2,2 GeV, Nowosybirski Instytut Fizyki 1979 Klaus Halbach (University of California, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley) opracował undulator ze stałymi magnesami (SmCo 5 ) 1980 SPEAR15, 4 GeV, SLAC 1981 K. Halbach ze współpracownikami zbudował pierwszy undulator ze stałymi magnesami dla SSRL 10

11 Wiglery 1956 K. W. Robinson w celu wytwarzania promieniowania synchrotronowego wysunął sugestię budowy wiglera [nielub. raport w Cambridge Electron Accelerator CEA Pierwszy wigler CEA 16 zbudowany przez K. W. Robinsona ze współpra-cownikami nie był wykorzystywany jako źródło promieniowania synchrotro-nowego, lecz w celu tłumienia drgań betatronowych i synchrotronowych 1979 Pierwszy wigler zastosowano w marcu 1979r. w Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, SPEAR. Były to magnesy 7 biegunowe o długości 1,2 m wytwarzające wiązkę promieniowania o dużej mocy w Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, SPEAR, zainstalowano pary wiglerów o długości 2 m. Po raz pierwszy użyto promieniowania synchrotronowego w połowie XX wieku do badań naukowych w dziedzinie ciała stałego, fizyki atomowej oraz cząsteczkowej. Wykorzystano do tego celu synchrotrony przeznaczone do badań z zakresu fizyki jądrowej. W synchrotronie rozpędzone w akceleratorze elektrony są kierowane do pierścienia akumulacyjnego, gdzie poruszają się po zamkniętej orbicie. Urządzenia te nie były zoptymalizowane pod kątem wykorzystania emitowanego światła. Były to tzw. źródła I-ej generacji. Jednak wyniki tych badań były na tyle doniosłe i obiecujące, że zdecydowano się na budowę źródeł II-ej generacji, specjalnie zaprojektowanych do wytwarzania promieniowania synchrotronowego i prowadzenia wykorzystujących je doświadczeń. Przykładami takich źródeł mogą być BESSY w Berlinie, NSLS w USA, Super ACO w Orsay we Francji, Photon Factory w Japonii. W latach 90-tych rozpoczęły działanie źródła III-ej generacji. Ich jasność jest wielokrotnie wyższa od uzyskiwanej poprzednio. Wzrost ten uzyskano dzięki ulepszeniu akceleratorów i ograniczeniu rozbieżności wiązki oraz dzięki użyciu specjalnych periodycznych struktur magnetycznych - tzw. wigglerów i ondulatorów. Europejskimi przykładami tego typu źródeł są: ESRF w Grenoble (Francja), Elettra w Trieście (Włochy), SLS w Villigen (Szwajcaria), BESSY II w Berlinie (Niemcy), PETRA III w Hamburgu (Niemcy). Jednocześnie już w latach 80-tych powstała koncepcja nowego typu źródła nazwanego źródłem IV-ej generacji. Wykorzystuje ono akcelerator liniowy, w którym elektrony przechodząc jednokrotnie przez odpowiednio długi ondulator podlegają oddziaływaniu z emitowanym przez siebie promieniowaniem, co prowadzi do emisji spójnego promieniowania. Jest to tzw. laser na swobodnych elektronach FEL. Wśród różnych konstrukcji tego typu należy wyróżnić laser wykorzystujący zjawisko SASE (Self-Amplified Spontaneous Emmission) FEL. Po raz pierwszy udało się taki laser uruchomić w 1994 roku w Japonii. Zapoczątkował on powstanie serii źródeł emitujących światło podczerwone, widzialne i nadfioletowe. W 2001r. w laboratorium DESY w Hamburgu uzyskano przy użyciu lasera FLASH fale elektromagnetyczne długości mniejszej niż 100 nm, a w roku 2005, po rozbudowie akceleratora i zwiększeniu energii elektronów, światło o długości fali 32 nm. Rekord ten został później pobity wielokrotnie przez ten sam ośrodek, i wynosi od 2007 roku 6,5 nm. Oznacza to piątą harmoniczną długość fali równą 1,6 nm, czyli energię 780 ev odpowiadającej krawędzi absorpcji L 3 dla kobaltu. W 2009 roku uruchomiono nowy laser rentgenowski LCLS w Stanford w USA o niespotykanej do tej pory mocy szczytowej rzędu kilku GW i gęstości mocy sięgającej GW/cm 2. W 2013 roku planowane jest uruchomienie lasera XFEL w DESY (budowę rozpoczęto ). XFEL różni się od LCLS zastosowaniem nadprzewodzących struktur do przyspieszania elektronów. Pozwoli to zarówno na wzrost szczytowej jasności (podobnie jak w przypadku LCLS) i jej wartości średniej. W porównaniu za źródłami III-ej generacji parametry te wzrosną odpowiednio o 10 i 5 rzędów wielkości. 11

12 4. Charakterystyka urządzeń wstawkowych Wiglery i magnesy zakrzywiające charakteryzuje energia krytyczna c [kev]: 3hc c 0,0665 BE, gdzie: B indukcja magnetyczna [kg], - promień krzywizny, E energia wiązki [GeV]. Krytyczna energia fotonów E c to energia, dla której połowa emitowanej mocy przypada na fotony o mniejszej energii, a połowa na fotony o większej energii. Na rys. 13 pokazano rozkład energetyczny fotonów emitowanego promieniowania synchrotronowego. Widać z niego, że natężenia tego promieniowania gesłtownie maleje powyżej pewnej energii fotonów. Rys. 14 pokazuje, że dla wiązki promieniowania o energii 4 GeV jej natężenie gwałtownie maleje dla kątów większych niż 5 mrad. Rys. 13. Rozkład energetyczny widma promieniowania synchrotronowego dla różnych magnesów i wiglerów dla 800 MeV pierścienia akumulacyjnego w Hefei (Chiny) (kolor zielony), 2 GeV pierścienia w Daresbury (Anglia) (różne kolory) i 4 GeV pierścienia SPEAR w Stanford (USA) dla 3,5 GeV (kolor czarny) Rys. 14. Energia krytyczna jako funkcja kąta odbioru dla pierścienia SSRL Wiggler II w Stanford (USA) 12

13 5. Promieniowanie undulatora Promieniowanie emitowane przez unduator różni się od promieniowania emitowanego przez wiglery i magnesy zaginające z dwóch powodów: a) ma taką samą jasność, jak promieniowanie synchrotronowe, ponieważ rozbieżność wiązki w undulatorze nie jest większa od kąta naturalnej emisji tego promieniowania, który jest rzędu 1/, b) promieniowanie jest rezultatem efektów interferencji, mających miejsce podczas promieniowania przez elektron w polu okresowym. Promieniowanie undulatora jest wysoce skolimowane. Powoduje to niemożliwość jednoczesnego korzystania z tej wiązki w różnych eksperymentach, co zwykle jest możliwe w przypadku rozbieżnych wiązek z wiglerów lub magnesów uginających. Na rys. 15 pokazano okresową strukturę undulatora ze stałymi magnesami (SmCo 5 ) Rys. 15. Okresowa struktura undulatora ze stałymi magnesami (SmCo5). Wiązkę pokazano jako szeroką linię, ponieważ amplituda drgań jest bardzo mała (0,02 nm) w porównaniu z szerokością wiązki. Okres magnetyczny zawiera 4 bloki 13

14 Rys. 16. Undulatory w ALS U5 dla wiązki promieniowania o energii 7 GeV Undulator pokazany na rys. 12 ma parametry: Liczba okresów magnetycznych N 89, Okres magnetyczny l u 50 mm, a więc długość takiego undulatora wynosi: l mm 4450 mm 4,45 m N u Wigler, pokazany na rys. 14, ma parametry: Liczba okresów magnetycznych N 27, 5, okres magnetyczny l u 70 mm, a więc długość takiego undulatora wynosi: N l u 27,5 70 mm 1925 mm 1,925 m Jeżeli K 1 energia jest wypromieniowana w postaci wielu harmonicznych, co w wyniku ich nałożenia daje w pewnym zakresie widmo ciągłe, podobne do widma magnesu zginającego, lecz (rys. 17) mające większe natężenie (2N-krotnie, N liczba okresów magnetycznych) i przesunięte ku wyższym energiom o c. 14

15 Rys. 17. Widmo promieniowania wiglera w porównaniu z widmem magnesu zginającego Rys. 18. Stałe magnesy wiglera w synchrotronie w Stanford (USA) Literatura 1. M. L. Perlman, E. M. Rowe, R. E. Watson, Synchrotron radiation - light fantastic, Phys. Today, July (1974) Physics Today, May 1981, v. 34, issue 5, pp. 50!63, doi: / Internationa Union of Crystallography, z: J.P. Blewett, J. Synchrotron Radiat., 5, 1998, Internationa Union of Crystallography, z: J.P. Blewett, J. Synchrotron Radiat., 5, 1998,