Ακτινοβολία synchrotron Η ακτινοβολία SR εκπέμπεται από σχετιστικά, φορτισμένα και ελαφριά στοιχειώδη σωμάτια, π.χ. ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια, τα οποία αποκλίνουν από την ευθύγραμμη τροχιά τους παρουσία μαγνητικού πεδίου. e Δύναμη Lorentz F [ v B] = κυκλική τροχιά. c Η ενέργεια των e: 2 E γm o c = όπου γ = m mo = 1 2 1 v 2 c Χαρακτηριστικά της εκπεμπόμενης δέσμης «φωτός» μικρό γωνιακό άνοιγμα (1/γ) η δέσμη είναι παράλληλη και έχει πολύ μεγάλη λαμπρότητα π.χ. για e με Ε=6 GeV το 1/γ=8μrad, δηλ. η δέσμη έχει πολύ μικρή διατομή εκπέμπεται εφαπτομενικά στο σημείο καμπής της τροχιάς των ηλεκτρονίων. Page 1 of 20
Αυξανομένης της ενέργειας των e: αυξάνεται η ενέργεια των εκπεμπομένων φωτονίων η δέσμη γίνεται πιο παράλληλη. Ιστορική εξέλιξη 1944 Ivanenko & Pomeranschuk θεωρητική πρόβλεψη 1947 Gurewitsch, Langmuir & 1 η παρατήρηση, παρασιτική Pollock, General Electric, ΗΠΑ ακτινοβολία σε επιταχυντή e με E= 70MeV Page 2 of 20
1956 Tomboulian & Hartmann Εφαρμογές 1966 Wisconsin-Madison Tantalus, 240MeV 1990 διατάξεις παρεμβολής wigglers & undulators Σήμερα ραγδαία εξέλιξη & εφαρμογές (επιστημονικές & βιομηχανικές) Γεωγραφική κατανομή εγκαταστάσεων παραγωγής ακτινοβολίας SR. Page 3 of 20
APS USA ESRF-France Xαρακτηριστικά της ακτινοβολίας SR. Η ακτίνα καμπυλότητας ρ, καθορίζεται από την ενέργεια Ε και το μαγνητικό πεδίο Β ρ ( m) = 3.32E(GeV) B(Tesla) Η εκπεμπόμενη ισχύς ανά περιστροφή είναι: 2 4 4 2 e c v E = 3 2 c 2 ρ mc 3 P ή P(kW) = 2.654 B E I τα Β, Ε και Ι μετρώνται σε kg, GeV και Α. Page 4 of 20
Οι ιδιαίτερα ελκυστικές ιδιότητες της ακτινοβολίας SR είναι : συνεχές φάσμα, από το IR έως τις σκληρές ακτίνες Χ Φάσμα εκπομπής από διπολικό μαγνήτη. Η ενέργεια καλύπτει το φάσμα από 1-10 5 ev. Brightness (photons / sec. mrad 2. 0.1%BW) 10 15 10 13 10 11 10 9 10 7 10 5 10 3 10 1 10-1 BESSY-II (E=1GeV, I=400mA, B=1.3T) 10-3 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 E(eV) η δέσμη μπορεί να μονοχρωματισθεί η δέσμη είναι παράλληλη (collimated) και έχει μικρή διατομή έχει παλμικό χαρακτήρα, δηλ. εκπέμπεται υπό μορφή «δεσμίδων» (bunches) φωτονίων μικρής διάρκειας είναι γραμμικώς πολωμένη στο επίπεδο εκπομπής, δηλ. το επίπεδο του δακτυλίου αποθήκευσης (ring) ενώ είναι κυκλικά πολωμένη εκατέρωθεν αυτού Page 5 of 20
έχει υψηλή φωτεινότητα και λαμπρότητα Η λαμπρότητα των πηγών SR αυξήθηκε κατά 10 12 φορές από το 1960 έως το 2000 και συνεχίζει να αυξάνεται με την χρήση συστοιχιών μαγνητών. Page 6 of 20
Πιό αναλυτικά: Συνεχές φάσμα ενέργεια αποκοπής ωc = κρίσιμη ενέργεια Ε c (kev)=0.665b E 2 3cγ 3 2ρ o λ c A = 4πρ 18,65 = 3 3γ Β E όπου Β (Tesla), E (GeV). 2 Το φάσμα ενός wiggler (συστοιχία μαγνητών) είναι συνεχές αλλά έχει μεγαλύτερη ένταση και μεγαλύτερη ενέργεια αποκοπής. Το φάσμα ενός undulator (συστοιχία μαγνητών) είναι γραμμικό αλλά έχει ένταση >> wiggler. Παράλληλη δέσμη πολύ υψηλή ροή photons ( ) σε απόσταση sec mrad Δλ 0.1% αρκετών μέτρων από την πηγή χαρακτηρισμός πολύ μικρών δειγμάτων (π.χ. επιφάνειες, μαγνητισμός) σε πολύ μικρούς χρόνους. Φωτεινότητα: Η φωτεινότητα (brightness) της δέσμης είναι η ροή ακτινοβολίας ανά μονάδα στερεάς γωνίας photons B( ) 2 sec mrad Δλ0.1% Page 7 of 20
Λαμπρότητα (brilliance) ορίζεται όταν χρησιμοποιούνται οπτικές διατάξεις εστίασης της δέσμης και ισούται με το πηλίκο της φωτεινότητας προς το γινόμενο των διαστάσεων της δέσμης Η λαμπρότητα μπορεί να αυξηθεί: 1) χρησιμοποιώντας συστοιχίες μαγνητών, 2) ελαττώνοντας το μέγεθος της δέσμης Οι wigglers αυξάνουν την ένταση του φάσματος κατά παράγοντα n (πλήθος περιόδων). Οι undulators αυξάνουν την ένταση n 2 φορές σε επιλεγμένα λ. Page 8 of 20
K 0.934 B o (T)λ o (cm) Όπου λ ο =περίοδος K>1 wiggler K<1 undulator αύξηση κρίσιμης ενέργειας αύξηση φωτεινότητας & λαμπρότητας Μεταβολή πόλωσης Page 9 of 20
Η υψηλή λαμπρότητα της δέσμης δυνατότητα εστίασης της δέσμης σε μικροσκοπικά δείγματα (μm 3 ) δυνατότητα υψηλού μονοχρωματισμού της δέσμης με διακριτική ικανότητα mev. παραγωγή εξαιρετικά σύμφωνου φωτός με υψηλότερη χωρική διακριτική ικανότητα από τα lasers αφού το λ του SR είναι πολύ μικρότερο. δυνατότητα παρατήρησης φαινομένων με εξαιρετικά μικρή διάρκεια, π.χ. βιολογικών και χημικών αντιδράσεων. Παλμικός χαρακτήρας: Η ακτινοβολία SR εκπέμπεται υπό μορφή δεσμίδων φωτός (διάρκειας 100ps) δυνατή η παρατήρηση ταχύτατων χημικών ή βιολογικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο (in situ, real time). Μεταβολή της απορρόφησης συναρτήσει της θέρμανσης Page 10 of 20
Μεταβολή της πλεγματικής σταθεράς συναρτήσει του χρόνου ανάπτυξης Πόλωση: Η ακτινοβολία SR είναι πολωμένη στο οριζόντιο επίπεδο στο οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια. Το φως που εκπέμπεται εκτός του επιπέδου είναι κυκλικά πολωμένη (εφαρμογές σε μαγνητικά υλικά). Η εγκατάσταση παραγωγής ακτινοβολίας synchrotron. Τα κυριώτερα μέρη μίας εγκατάστασης παραγωγής ακτινοβολίας SR είναι: Θερμιονική κάθοδος : παραγωγή & επιτάχυνση ηλεκτρονίων: (π.χ. 100kV). Επιταχυντής Linac: 1 ο (MeV). στάδιο επιτάχυνσης των ηλεκτρονίων Page 11 of 20
O επιταχυντής Linac είναι ένας γραμμικός επιταχυντής. Το επιταχύνον πεδίο έχει συχνότητα της τάξης των 3 GHz και η ενέργεια των ηλεκτρονίων αυξάνεται κατά 15-20 MeV ανά μέτρο μήκους του επιταχυντή. Booster Synchrotron: τελικό στάδιο επιτάχυνσης των ηλεκτρονίων. Ακολουθεί η μεταφορά/έγχυση (injection) των ηλεκτρονίων στον δακτύλιο αποθήκευσης. Δακτύλιος αποθήκευσης (10-8 Torr). DIAMOND-UK storage ring. Φαίνονται και οι 4πολικοί μαγνήτες Page 12 of 20
κενό ελαχιστοποιούνται οι σκεδάσεις και η επανασύνδεση των φορτισμένων σωματιδίων με τα μόρια αέρα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στον δακτύλιο αποθήκευσης έχουν σταθερή ενέργεια. η ενέργεια που χάνεται λόγω εκπομπής ακτινοβολίας αναπληρώνεται σε ειδική κοιλότητα επιτάχυνσης (accelerating rf cavity). Οι τετραπολικοί μαγνήτες : φακοί εστίασης της δέσμης των e. Οι εξαπολικοί μαγνήτες διορθώνουν την τροχιά των ηλεκτρονίων. Διπολικός μαγνήτης με ακτίνα κάμψης 2 m, ακρίβεια 10-4, γωνία κάμψης 60 ο, βάρος 12 Ton. Τετραπολικός μαγνήτης Page 13 of 20
Οι τετραπολικοί μαγνήτες & οι διατάξεις παρεμβολής βρίσκονται στα ευθύγραμμα τμήματα του ring. Μαγνήτες κάμψης ή/και διατάξεις παρεμβολής wigglers & undulators εκτρέπουν τη δέσμη σε καμπύλη τροχιά και προκαλούν την εκπομπή ακτινοβολίας. Οι παρεμβαλόμενες διατάξεις ημιτονοειδείς τροχιές εκπομπή ακτινοβολίας με βελτιωμένα χαρακτηριστικά Undulator U49 at BESSY Undulator at BESSY Page 14 of 20
Οδηγοί ακτινοβολίας (beamlines). Σχηματικά διαγράμματα εγκαταστάσεων παραγωγής SR Page 15 of 20
Μονοχρωμάτορες Το σύστημα ελέγχου : ένα σύνολο υπολογιστών που ελέγχει την κατάσταση του δακτυλίου αποθήκευσης. Computer room at BESSY Το σύστημα προστασίας από την ακτινοβολία το οποίο προστατεύει του χρήστες από την επικίνδυνη ακτινοβολία. Ηχεί συναγερμός όταν η δόση >10μSievert/hr. Tα χαρακτηριστικά ενός δακτυλίου αποθήκευσης είναι: Page 16 of 20
Το ρεύμα της δέσμης, Ι (ma). H ενέργεια των ηλεκτρονίων, Ε (GeV). Ο αριθμός των δεσμίδων ηλεκτρονίων (1-100) & το μήκος τους. Η διατομή της δέσμης. Η ακτίνα καμπυλότητας της τροχιάς των ηλεκτρονίων. Ο χρόνος ημιζωής της δέσμης κατά τη διάρκεια του οποίου η ένταση του ρεύματος υποδιπλασιάζεται (επανασύνδεση των ηλεκτρονίων με μόρια του αερίου και σκέδαση e-e). Η πίεση στον δακτύλιο αποθήκευσης. Τα κύρια στοιχεία ενός οδηγού ακτινοβολίας (beamline) : Ο μονοχρωμάτορας και το υπολογιστικό σύστημα ελέγχου του. Ο σωλήνας κενού δέσμη των ακτίνων Χ. Τα κάτοπτρα που εκτρέπουν τη δέσμη Ένα σύνολο από σχισμές, οπές, κλπ που περιορίζουν τη δέσμη Ο θάλαμος μέτρησης όπου διεξάγονται οι μετρήσεις και το υπολογιστικό σύστημα συλλογής δεδομένων. Page 17 of 20
Ο τρόπος σύνδεσης του οδηγού ακτινοβολίας με τον δακτύλιο Μαλακές ακτίνες Χ: έντονη απορρόφηση από τον αέρα δεν χρησιμοποιείται παράθυρο μεταξύ του δακτυλίου αποθήκευσης και του οδηγού ακτινοβολίας αλλά μια βαλβίδα υπερυψηλού κενού. Σκληρές ακτίνες Χ: ο οδηγός ακτινοβολίας βρίσκεται υπό ατμοσφαιρική πίεση και συνδέεται με τον δακτύλιο αποθήκευσης (που είναι υπό κενό) με παράθυρο Be (πάχους 100-200μm). Μονοχρωμάτορες Μαλακές ακτίνες Χ (20-1500eV): μονοχρωμάτορες φράγματος περίθλασης Κατασκευάζονται με χημική χάραξη (etching) ή ολογραφικά (με τη συμβολή δύο δεσμών laser σε φωτοευπαθές υλικό). Κύρια χαρακτηριστικά: Η περίοδος του φράγματος, d Ο συνολικός αριθμός γραμμών του φράγματος, Ν l. Το προφίλ της επιφάνειας. ημιτονοειδές ή οδοντωτό. Η γεωμετρία της επιφάνειας. επίπεδα, κοίλα σφαιρικά και κοίλα ασφαιρικά φράγματα. Με τα κοίλα σφαιρικά Page 18 of 20
φράγματα επιτυγχάνεται ταυτόχρονα και η εστίαση της δέσμης. Σκληρές ακτίνες Χ (Ε>3000eV) : κρυσταλλικοί μονοχρωμάτορες. Η λειτουργία τους βασίζεται στον νόμο του Bragg : 2 d sin ϑ d = λ όπου d είναι η απόσταση των ατομικών επιπέδων του κρυστάλλου και ϑ d είναι η γωνία πρόσπτωσης. Page 19 of 20
Κριτήρια επιλογής κατάλληλου κρυστάλλου η απόσταση των ατομικών επιπέδων. 2 d sin ϑ d = λ η δυνατότητα παρασκευής κρυστάλλων καλής ποιότητας και ικανοποιητικού μεγέθους. οι κρύσταλλοι δεν πρέπει να περιέχουν προσμίξεις που απορροφούν στην συγκεκριμένη περιοχή ενεργειών, οι κρύσταλλοι δεν πρέπει να περιέχουν στοιχεία μεγάλου Ζ τα οποία επανεκπέμπουν δευτερογενώς (secondary emission). οι κρύσταλλοι πρέπει να αντεχουν στα υψηλά θερμικά φορτία της δέσμης, να έχουν μικρό συντελεστή θερμικής διαστολής και μεγάλη θερμική αγωγιμότητα. Το Si είναι μια πολύ καλή επιλογή. Γιατί?? Page 20 of 20