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