Promieniowanie synchrotronowe i jego zastosowania. Wykład I

Podobne dokumenty
Promieniowanie synchrotronowe i jego zastosowania. Wykład II

Ćwiczenia z mikroskopii optycznej

Wydajność konwersji energii słonecznej:

Spektroskopia ramanowska w badaniach powierzchni

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Szczegółowe kryteria oceniania z fizyki w gimnazjum. kl. III

Ponadto, jeśli fala charakteryzuje się sferycznym czołem falowym, powyższy wzór można zapisać w następujący sposób:

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

Techniki analityczne. Podział technik analitycznych. Metody spektroskopowe. Spektroskopia elektronowa

1.3. Poziom ekspozycji na promieniowanie nielaserowe wyznacza się zgodnie z wzorami przedstawionymi w tabeli 1, przy uwzględnieniu:

Wykład Budowa atomu 1

Temat: Promieniowanie atomu wodoru (teoria)

Podstawy fizyki wykład 8

Prawa optyki geometrycznej

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

17. Który z rysunków błędnie przedstawia bieg jednobarwnego promienia światła przez pryzmat? A. rysunek A, B. rysunek B, C. rysunek C, D. rysunek D.

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

Wstęp do astrofizyki I

Widmo promieniowania

- 1 - OPTYKA - ĆWICZENIA

Światło fala, czy strumień cząstek?

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Wstęp do astrofizyki I

TELEDETEKCJA W MIEŚCIE CHARAKTERYSTYKA SPEKTRALNA RÓŻNYCH POKRYĆ DACHÓW, CZYLI ZMIANA FACHU SKRZYPKA NA DACHU

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

ZAGADNIENIA na egzamin klasyfikacyjny z fizyki klasa III (IIIA) rok szkolny 2013/2014 semestr II

Wy1. 2 Wy7 Detektory fotonowe i termiczne. 2 Wy8 Test zaliczeniowy 1 Suma godzin 15

h λ= mv h - stała Plancka (4.14x10-15 ev s)

Lasery budowa, rodzaje, zastosowanie. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

Mikroskopy uniwersalne

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Grafika komputerowa. Model oświetlenia. emisja światła przez źródła światła. interakcja światła z powierzchnią. absorbcja światła przez sensor

Optyka. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat. Dyfrakcja. Laser. Uniwersytet Rzeszowski, 17 stycznia 2018

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

ŚWIATŁO I JEGO ROLA W PRZYRODZIE

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

- pozorny, czyli został utworzony przez przedłużenia promieni świetlnych.

Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej

Własności światła laserowego

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

Ćwiczenie 1. Część teoretyczna Światło jest falą elektromagnetyczną, zatem związana jest z nią funkcja ( r, t)

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Warszawa, dnia 11 lipca 2012 r. Poz. 787

7. Wyznaczanie poziomu ekspozycji

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 3, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Ćwiczenie 1. Część teoretyczna

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wy1. 2 Wy7 Detektory fotonowe i termiczne. 2 Wy8 Test zaliczeniowy 1 Suma godzin 15

Współczesne metody badań instrumentalnych

Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni kuli. Wyróżniamy zwierciadła kuliste:

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

20. Na poniŝszym rysunku zaznaczono bieg promienia świetlnego 1. Podaj konstrukcję wyznaczającą kierunek padania promienia 2 na soczewkę.

Źródła promieniowania X. ciąg dalszy

Wzajemne relacje pomiędzy promieniowaniem a materią wynikają ze zjawisk związanych z oddziaływaniem promieniowania z materią. Do podstawowych zjawisk

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

2. Metody, których podstawą są widma atomowe 32

Czy atomy mogą być piękne?

Zaznacz prawdziwą odpowiedź: Fale elektromagnetyczne do rozchodzenia się... ośrodka materialnego A. B.

Ćwiczenie Nr 11 Fotometria

WŁASNOŚCI ŚWIATŁA. 1. Optyka geometryczna i falowa zasady i prawa optyki geometrycznej całkowite wewnętrzne odbicie; światłowody

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Techniczne podstawy promienników

Uwzględniając związek między okresem fali i jej częstotliwością T = prędkość fali można obliczyć z zależności:

Laser z podwojeniem częstotliwości

IM-4 BADANIE ABSORPCJI ŚWIATŁA W MATERIAŁACH PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

Ćwiczenie 3. Elementy fotometrii i testy rozdzielczości obiektywów fotograficznych. Wprowadzenie teoretyczne. Elementy fotometrii

zadania zamknięte W zadaniach od 1. do 10. wybierz i zaznacz jedną poprawną odpowiedź.

Metody badania kosmosu

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -2

INTERFERENCJA WIELOPROMIENIOWA

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL

Fale elektromagnetyczne to zaburzenia pola elektrycznego i magnetycznego.

Ć W I C Z E N I E N R O-1

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Mikroskopia fluorescencyjna

Model Bohra budowy atomu wodoru - opis matematyczny

Wstęp do astrofizyki I

Wstęp do astrofizyki I

Technologia elementów optycznych

Promienie

Wykład 11 Elementy optyki geometrycznej Widmo i natura światła

Transkrypt:

Universitas Jagellonica Cracoviensis Promieniowanie synchrotronowe i jego zastosowania Wykład I J.J. Kołodziej Pokój: G-0-11, IFUJ Łojasiewicza 11 Tel.+12 664 4838 jj.kolodziej@uj.edu.pl http://users.uj.edu.pl/~jkolodz Wykłady na WBBB, semestr zimowy 2015/201

Elektrony krążą po orbicie z prędkością bardzo bliską prędkości światła (ultrarelatywistyczne).. takie elektrony emitują promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie długości fali (energii fotonów) nazywane promieniowaniem synchrotronowym. e - General Electric synchrotron 70 MeV (zbudowany 1946) zawierał szklana komorę próżniową w której krążyły elektrony odkryto świecenie (24 kwietnia 1947, Schenectady, NY) Efekt został policzony w kontekście akcelaratorow trochę wczesniej -Iwanienko, Pomeranchuk Phys. Rev. 1944.. Schwinger, Phys Rev. 1946 mozliwość wystepowania takiego zjawiska wskazał Lienard już w 1898 roku rozważali to też astrofizycy.

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

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)

Ale o co właściwie chodzi??

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..

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

Eksperyment z wiązką promieniowania elektromagnetycznego Wiązka pierwotna Atomy, cząsteczki, jony Fotoelektrony i elektrony augerowskie Promieniowanie rozproszone elastycznie Fluorescencja Próbka Promieniowanie przechodzące Mikroskopie, dyfraktometrie, spektroskopie, mikrospektroskopia -> nanospektroskopia.. promieniowanie terahercowe, podczerwień, zakres widzialny, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie, twarde promieniowanie rentgenowskie. Można przeprowadzić niezliczoną liczbę różnych eksperymentów.. => specyficzne informacje o próbce

źródło swiatła. np. dioda 17 W w zakresie widzialnym. Ile z tego mamy fotonów? Sprawność całkowita ok. 25% stąd ok. 5 W mocy promienistej. => ~1 x 10 19 fotonów Powiedzmy, że chcemy zobrazować obszar 1 x 1 mm2 w swietle odbitym z rozdzielczością 1 mm nasze źródło światła ma jakieś 10 mm 2 Możemy zmniejszyć źródło światła za pomocą soczewki np.10 x (załóżmy że soczewka jest tak duża, że zbiera prawie całe swiatło) ale wtedy skoncentrujemy całe 5 W (moc żarzącego się papierosa) na obszarze powiedzmy 0.3 x 0.3 mm 2. niedobrze próbka być może wytrzyma bezpiecznie 1000x mniejszą gęstość powierzchniową mocy a zatem na nasz obrazowany obszar może padać 10 15 fotonów/s. Wydajność odbicia 1/10 => 10 14 fotonów/s obiektyw zbiera 10 % => 10 13 fotonów/s. Na 1 piksel kamery (matryca 1000x1000) średnio pada 10 7 fotonów/s wydajność kwantowa 10% => 10 6 fotonów /s na piksel Dużo. Można kręcić filmy. Obraz na matrycy powstaje w ułamku sekundy Jeśli zechcemy zrealizować eksperyment typu mikrospektroskopia to nasze 10 6 fotonów na s na piksel musimy rozdzielić na kanały energetyczne

Jeśli przed eksperymentem musimy monochromatyzować wiązkę o szerokim widmie to stracimy kilka rzędów wielkości. (10 6 =>10 2 fotonów/s na piksel) OK. jeśli potrzebne promieniowanie jest w zakresie widzialnym lub blisko tego zakresu to weźmiemy laser i będziemy mieć dosyć fotonów w monochromatycznej wiązce. Ale teraz gdybyśmy chcieli obrazować z dużo większymi rozdzielczościami to nie jest możliwe w świetle widzialnym ale możliwe jest np. badanie oddziaływania fotonów z pojedynczym centrum jeśli w obszarze odwzorywanym na piksel jest tylko jedno takie centrum (rozcieńczenie) => strumień wychodzący spada wiele rzędów wielkości Obrazowanie fluorescencji => strumień wychodzący spada wiele rzędów wielkości. Dla obrazowania w zakresie miękkiego promieniowania X możliwe są rozdzielczości rzędu 10 nm => strumień fotonów na pikselu spada wiele rzędów wielkości. Itd

Jeśli zaplanujemy zaawansowany eksperyment, np. obrazowanie z rozdzielczością nanometrową, spektromikroskopię itp, mając do dyspozycji laboratoryjną lampę rentgenowską lub źródło UV na ogół oczekiwane czasy akwizycji będą niepraktycznie długie. Do zaawansowanych eksperymentów potrzeba jasnych często monochromatycznych wiązek promieniowania (takich jak wiązki laserowe) Niestety poza zakresami bliskiej podczerwieni, widzialnym i bliskim nadfioletem nie ma laboratoryjnych laserów Dla zakresów dalekiego ultrafioletu oraz promieniowania rentgenowskiego źródła i uklady optyczne nie są wydajne => od poczatku mamy mało fotonów i co gorsza tracimy rzędy wielkości strumienia fotonów przy formowaniu wiązek

Właściwości źródeł i wiązek promieniowania wielkości radiometryczne

Na pewno jest większy i jaśniej świeci ale czy również jaśniejszy? W potocznym pojęciu tak dla fotografa nie (jak rozumiemy jasność źródła?)

Definicje ważnych wielkości radiometrycznych/fotometrycznych: Wielkość Jednostka Definicja Energia promieniowania (Q) Dżul (J) Energia/lub liczba cząstek zamiana energii na liczbę cząstek jest dopuszczalna dla promieniowania monochromatycznego Strumień promieniowania ( ) Wat (W) Energia promieniowania na jednostkę czasu (moc) lub liczba cząstek na jednostkę czasu (dla promieniowania monochromat.) Gęstość spektralna strumienia promieniowania d /[dl, dv, de] W/m, W/Hz, W/eV 1/m, 1/Hz, 1/eV Energia promieniowania na jednostkę czasu (moc)/ lub liczba cząstek na jednostkę czasu (dla promieniowania monochromat.) na jednostkę długości fali, częstotliwości, energii (do wyboru co pasuje do problemu.) 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

Definicje ważnych wielkości radiometrycznych/fotometrycznych: Wielkość Jednostka Definicja Energia promieniowania (Q) Dżul (J) Energia/lub liczba cząstek zamiana energii na liczbę cząstek jest dopuszczalna dla promieniowania monochromatycznego Strumień promieniowania ( ) Wat (W) Energia promieniowania na jednostkę czasu (moc) lub liczba cząstek na jednostkę czasu (dla promieniowania monochromat.) Gęstość spektralna strumienia promieniowania d /[dl, dv, de] Radiancja (L) (dla fotografów jasność obiektu) Irradiancja (E) (dla fotografów ekspozycja) Radiancja spektralna (L l ) Irradiancja spektralna (E l ) W/m, W/Hz, W/eV 1/m, 1/Hz, 1/eV W/(sr m 2 ) 1/(sr m 2 ) W/m 2 W/(sr m 3 ) 1/(sr m 3 ) W/(sr m 3 ) 1/(sr m 3 ) Energia promieniowania na jednostkę czasu (moc)/ lub liczba cząstek na jednostkę czasu (dla promieniowania monochromat.) na jednostkę długości fali, częstotliwości, energii (do wyboru co pasuje do problemu.) Strumień promieniowania na jednostkę powierzchni i jednostkę kąta bryłowego lub liczba cząstek na jedn. powierzchni i jedn. kąta bryłowego dla prom. monochrom. Strumień promieniowania (lub liczba cząstek na jednostkę czasu) padający na powierzchnię Gęstość spektralna strumienia promieniowania na jednostkę powierzchni i jednostkę kąta bryłowego Gęstość spektralna strumienia promieniowania na jednostkę powierzchnię

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

1. Można spotkać pojęcia jasności (radiancji) źródła promieniowania i jasności wiązki promieniowania. są one w zasadzie tożsame źródło emituje wiązkę ta wiązka niesie cała informację o źródle. Za pomocą soczewki (układu soczewek) możemy z wiązki utworzyć wtórne źródło promieniowani (obraz źródła) 1. Ponieważ istnieje zasada odwracalności (biegu promieni) w optyce wszystko co wydedukujemy dla wiązek wychodzących będzie dobre rówież dla wiązek wchodzących (o analogicznej geometrii) i na odwrót

Radiancja (L) W/(sr m 2 ) Strumień na jednostkę powierzchni i jednostkę kąta bryłowego (liczba cząstek na/z jednostkowej powierzchni emitowanych w/z jedn. kąta bryłowego) 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 można nieco zwiększać irradiancję ale też niewiele bo wymaga to dużych soczewek (zwierciadeł)/układów soczewek o krótkich ogniskowych dla promieniowania dalekiego UV i X ogniskowanie przez zwierciadła ślizgowe lub pierścienie Fresnela mało efektywne 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 Z drugiej strony jeśli uprzemy się otrzymać wiazkę równoległą ze źródła o skończonej radiancji to irradiancja tej wiązki formalnie będzie zerowa (bo musimy ustawić kolimator nieskończenie daleko od źródła)

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