Источник синхротронного света

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Источник синхротронного света»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июль 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон )

Синхротронное излучение, отражающееся от кристалла тербия на источнике синхротронного излучения Дарсбери , 1990 г.

Источник света синхротронного является источником электромагнитного излучения (ЭМ) , как правило , производится с помощью накопительного кольца , ^[1] для научных и технических целей. Впервые наблюдаемый в синхротронах , синхротронный свет теперь производится накопительными кольцами и другими специализированными ускорителями частиц , обычно ускоряющими электроны . После генерации пучка высокоэнергетических электронов он направляется во вспомогательные компоненты, такие как поворотные магниты и вводные устройства ( ондуляторы или вигглеры ) в накопительных кольцах и лазеры на свободных электронах.. Они создают сильные магнитные поля, перпендикулярные лучу, которые необходимы для преобразования электронов высокой энергии в фотоны .

Основные области применения синхротронного света - физика конденсированных сред , материаловедение , биология и медицина . Большая часть экспериментов с использованием синхротронного света связана с исследованием структуры материи от субнанометрового уровня электронной структуры до микрометрового и миллиметрового уровней, важных для медицинской визуализации . Примером практического промышленного применения является изготовление микроструктур с помощью процесса LIGA .

Brilliance [ править ]

При сравнении источников рентгеновского излучения важным показателем качества источника является яркость . ^[2] Brilliance учитывает:

1. Количество фотонов, производимых в секунду
2. Угловая расходимость фотонов или скорость распространения луча
3. Площадь поперечного сечения балки
4. Фотоны, попадающие в полосу пропускания (BW) 0,1% от центральной длины волны или частоты

Итоговая формула:

${\displaystyle {\text{brilliance}}={\frac {\text{photons}}{{\text{second}}\cdot {\text{mrad}}^{2}\cdot {\text{mm}}^{2}\cdot 0.1\%~{\text{BW}}}}}$

Чем больше яркость, тем больше фотонов данной длины волны и направления концентрируется в точке в единицу времени.

В большинстве рентгенографических исследований единицы измерения яркости имеют следующий вид:

фотонов / с / мм ² / мрад ^{2 /} 0,1% BW.

Яркость, интенсивность и другая терминология [ править ]

В разных областях науки часто используются разные способы определения терминов. В области рентгеновских лучей несколько терминов означают то же самое, что и блеск.

Некоторые авторы используют термин яркость , который когда-то использовался для обозначения фотометрической яркости или использовался (неправильно) для обозначения радиометрической яркости .

Интенсивность означает плотность мощности на единицу площади, но для источников рентгеновского излучения обычно означает яркость.

Правильное значение можно определить, посмотрев на данные единицы. Яркость - это концентрация фотонов, а не мощность. Единицы должны учитывать все четыре фактора, перечисленные в разделе выше.

В оставшейся части этой статьи термины яркость и интенсивность означают одно и то же.

Свойства источников [ править ]

Синхротронное излучение, созданное искусственно, отличается:

• Высокая яркость, на много порядков больше, чем у рентгеновских лучей, производимых в обычных рентгеновских трубках: источники 3-го поколения обычно имеют яркость более 10 ¹⁸ фотонов / с / мм ² / мрад ² / 0,1% BW, где 0,1% BW обозначает полосу пропускания 10 ^-3 Вт с центром вокруг частоты w .
• Высокий уровень поляризации (линейная, эллиптическая или круговая)
• Высокая коллимация, т.е. малая угловая расходимость луча.
• Низкий эмиттанс, то есть произведение поперечного сечения источника и телесного угла излучения мало
• Широкая возможность настройки энергии / длины волны за счет монохроматизации ( от субэлектронвольт до мегаэлектронвольт )
• Импульсное излучение света (длительность импульса не превышает одной наносекунды или миллиардной доли секунды).

Синхротронное излучение ускорителей [ править ]

Синхротронное излучение может возникать в ускорителях либо как неприятность, вызывая нежелательные потери энергии в контексте физики элементарных частиц , либо как преднамеренно созданный источник излучения для многочисленных лабораторных приложений. Электроны ускоряются до высоких скоростей в несколько этапов для достижения конечной энергии, которая обычно находится в диапазоне гигаэлектронвольт. Электроны вынуждены двигаться по замкнутому пути сильными магнитными полями. Это похоже на радиоантенну, но с той разницей, что релятивистская скорость изменяет наблюдаемую частоту из-за эффекта Доплера в несколько раз . Релятивистское лоренцево сжатие увеличивает частоту еще в один раз.${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \gamma }$, тем самым увеличивая частоту гигагерц резонансной полости, которая ускоряет электроны в рентгеновском диапазоне. Еще один драматический эффект теории относительности состоит в том, что диаграмма направленности искажается от изотропной дипольной диаграммы, ожидаемой по нерелятивистской теории, в чрезвычайно направленный вперед конус излучения. Это делает источники синхротронного излучения одними из самых ярких известных источников рентгеновского излучения. Геометрия плоского ускорения делает излучение линейно поляризованным при наблюдении в плоскости орбиты и поляризованным по кругу при наблюдении под небольшим углом к ​​этой плоскости. ^{[ необходима цитата ]}

Преимущества использования синхротронного излучения для спектроскопии и дифракции осознаются постоянно растущим научным сообществом, начиная с 1960-х и 1970-х годов. Вначале ускорители были построены для физики элементарных частиц, и синхротронное излучение использовалось в «паразитном режиме», когда излучение поворотного магнита приходилось извлекать путем сверления дополнительных отверстий в трубах пучка. Первым накопительным кольцом, введенным в эксплуатацию в качестве источника синхротронного света, был Тантал в Центре синхротронного излучения , впервые введенный в эксплуатацию в 1968 году ^[3].По мере того, как синхротронное излучение ускорителей становилось все более интенсивным, а его приложения более перспективными, устройства, которые увеличивали интенсивность синхротронного излучения, были встроены в существующие кольца. Источники синхротронного излучения третьего поколения были задуманы и оптимизированы с самого начала для получения ярких рентгеновских лучей. В стадии рассмотрения находятся источники четвертого поколения, которые будут включать в себя различные концепции получения ультравысокого импульсного рентгеновского излучения с временной структурой для чрезвычайно сложных и, вероятно, еще не начатых экспериментов. ^{[ необходима цитата ]}

Изгибающие электромагниты в ускорителях впервые использовались для генерации этого излучения, но для генерации более сильного излучения иногда используются другие специализированные устройства - вводные устройства. Источники синхротронного излучения тока (третьего поколения) обычно зависят от этих вставных устройств, в которых прямые участки накопительного кольца содержат периодические магнитные структуры (состоящие из множества магнитов в виде чередующихся полюсов N и S - см. Диаграмму выше), которые заставляют электроны в синусоидальный или винтовой путь. Таким образом, вместо одного изгиба многие десятки или сотни «покачиваний» в точно рассчитанных положениях складывают или умножают общую интенсивность луча. ^{[ необходима цитата ]}

Эти устройства называются вигглерами или ондуляторами . Основное отличие ондулятора от вигглера - это напряженность их магнитного поля и амплитуда отклонения от прямолинейного пути электронов. ^{[ необходима цитата ]}

В накопительном кольце есть отверстия, через которые излучение выходит и проходит по линии луча в вакуумную камеру экспериментаторов. Большое количество таких каналов может появиться из современных источников синхротронного излучения третьего поколения. ^{[ необходима цитата ]}

Накопители [ править ]

Электроны могут быть извлечены из собственно ускорителя и сохранены во вспомогательном магнитном накопителе сверхвысокого вакуума, где они могут совершать большое количество оборотов. Магниты в кольце также должны многократно повторно сжимать пучок против кулоновских сил ( пространственного заряда ), стремящихся разрушить электронные сгустки. Изменение направления - это форма ускорения, и поэтому электроны испускают излучение с энергией ГэВ. ^{[ необходима цитата ]}

Применение синхротронного излучения [ править ]

• Синхротронное излучение электронного пучка, циркулирующего с высокой энергией в магнитном поле, приводит к радиационной самополяризации электронов в пучке ( эффект Соколова – Тернова ). ^[4] Этот эффект используется для получения сильно поляризованных электронных пучков для использования в различных экспериментах. ^{[ необходима цитата ]}
• Синхротронное излучение задает размеры пучка (определяемые его эмиттансом ) в электронных накопительных кольцах посредством эффектов радиационного затухания и квантового возбуждения. ^[5]

Beamlines [ править ]

На синхротронном оборудовании электроны обычно ускоряются синхротроном , а затем вводятся в накопительное кольцо , в котором они циркулируют, производя синхротронное излучение, но без получения дополнительной энергии. Излучение проецируется по касательной к электронному накопителю и улавливается линиями пучка . Эти лучи могут исходить от изгибающих магнитов, которые маркируют углы накопительного кольца; или вставные устройства , которые расположены в прямых участках накопительного кольца. Спектр и энергия рентгеновских лучей различаются между двумя типами. Линия луча включает в себя рентгенооптические устройства, контролирующие полосу пропускания, поток фотонов, размеры пучка, фокус и коллимация лучей. К оптическим приборам относятся щели, аттенюаторы, кристаллические монохроматоры и зеркала. Зеркала могут быть изогнуты в кривые или тороидальные формы для фокусировки луча. Высокий поток фотонов на небольшой площади - наиболее распространенное требование к каналу пучка. Конструкция балки будет варьироваться в зависимости от приложения. В конце линии пучка находится экспериментальная конечная станция, где образцы помещаются на линию излучения, а детекторы устанавливаются для измерения результирующего дифракционного , рассеянного или вторичного излучения.

Экспериментальные методы и использование [ править ]

Синхротронный свет является идеальным инструментом для многих видов исследований в области материаловедения , физики и химии и используется исследователями из академических, промышленных и государственных лабораторий. Некоторые методы используют преимущества высокой интенсивности, настраиваемой длины волны, коллимации и поляризации синхротронного излучения на линиях пучка, которые предназначены для конкретных видов экспериментов. Высокая интенсивность и проникающая способность синхротронного рентгеновского излучения позволяет проводить эксперименты внутри ячеек для образцов, предназначенных для конкретных условий. Образцы можно нагревать, охлаждать или подвергать воздействию газа, жидкости или среды высокого давления. Эксперименты, в которых используются эти среды, называются in situ.и позволяют характеризовать явления атомного и наномасштабного масштаба, которые недоступны для большинства других инструментов характеризации. Измерения in operando призваны максимально точно имитировать реальные рабочие условия материала. ^[6]

Дифракция и рассеяние [ править ]

Эксперименты по дифракции рентгеновских лучей (XRD) и рассеиванию проводятся на синхротронах для структурного анализа кристаллических и аморфных материалов. Эти измерения могут быть выполнены на порошках , монокристаллах или тонких пленках . Высокое разрешение и интенсивность синхротронного луча позволяет измерять рассеяние на разбавленных фазах или анализировать остаточное напряжение . Материалы можно исследовать при высоком давлении с использованием ячеек с алмазными наковальнями для моделирования экстремальных геологических условий или создания экзотических форм материи. ^{[ необходима цитата ]}

Рентгеновская кристаллография из белков и других макромолекул (PX или MX) обычно выполняется. Кристаллографические эксперименты на основе синхротрона были неотъемлемой частью решения структуры рибосомы ; ^{[7] [8]} эта работа была удостоена Нобелевской премии по химии в 2009 году .

Размер и форма наночастиц характеризуются с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР). Наноразмерные детали на поверхностях измеряются с помощью аналогичной техники - малоуглового рассеяния рентгеновских лучей при скользящем падении (GISAXS). ^[9] В этом и других методах поверхностная чувствительность достигается путем размещения поверхности кристалла под небольшим углом по отношению к падающему лучу, что обеспечивает полное внешнее отражение и минимизирует проникновение рентгеновских лучей в материал. ^{[ необходима цитата ]}

Детали поверхностей , границ раздела и тонких пленок, от атомных до наноразмеров, могут быть охарактеризованы с использованием таких методов, как анализ рентгеновской отражательной способности (XRR) и анализа усеченных кристаллов (CTR). ^[10] Измерения стоячей волны в рентгеновских лучах (XSW) также могут использоваться для измерения положения атомов на или вблизи поверхностей; для этих измерений требуется оптика с высоким разрешением, способная разрешать явления динамической дифракции . ^[11]

Аморфные материалы, включая жидкости и расплавы, а также кристаллические материалы с локальным беспорядком, могут быть исследованы с помощью анализа функции распределения пар рентгеновских лучей , который требует данных рассеяния рентгеновских лучей высокой энергии. ^[12]

Регулируя энергию луча через край поглощения конкретного интересующего элемента, можно изменить рассеяние на атомах этого элемента. Эти так называемые методы резонансного аномального рассеяния рентгеновских лучей могут помочь определить вклад рассеяния от определенных элементов в образце. ^{[ необходима цитата ]}

Другие методы рассеяния включают энергодисперсионную дифракцию рентгеновских лучей , резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей и магнитное рассеяние. ^{[ необходима цитата ]}

Спектроскопия [ править ]

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) используется для изучения координационной структуры атомов в материалах и молекулах. Энергия синхротронного пучка настраивается через край поглощения интересующего элемента, и измеряются модуляции поглощения. Фотоэлектронные переходы вызывают модуляцию вблизи края поглощения, и анализ этих модуляций (называемых структурой ближнего края поглощения рентгеновского излучения (XANES) или тонкой структурой поглощения рентгеновского излучения вблизи края (NEXAFS)) позволяет получить информацию о химическом состоянии и локальном симметрия этого элемента. При энергиях падающего пучка, которые намного превышают край поглощения, рассеяние фотоэлектронов вызывает "звенящие" модуляции, называемыерасширенная тонкая структура поглощения рентгеновских лучей (EXAFS). Преобразование Фурье режима EXAFS дает длины связей и число окружающих поглощающий атом; поэтому он полезен для изучения жидкостей и аморфных материалов ^[13], а также редких частиц, таких как примеси. Родственный метод, рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD), использует рентгеновские лучи с круговой поляризацией для измерения магнитных свойств элемента. ^{[ необходима цитата ]}

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) может выполняться на линиях пучка, оборудованных фотоэлектронным анализатором . Традиционный XPS обычно ограничивается исследованием верхних нескольких нанометров материала под вакуумом. Однако высокая интенсивность синхротронного света позволяет проводить измерения поверхностей методом РФЭС при давлении газа, близком к окружающему. XPS при атмосферном давлении (AP-XPS) можно использовать для измерения химических явлений в смоделированных каталитических или жидких условиях. ^[14] Использование фотонов высокой энергии дает фотоэлектроны с высокой кинетической энергией, которые имеют гораздо большую неупругую длину свободного пробега.чем полученные на лабораторном приборе XPS. Таким образом, глубина зондирования синхротронного XPS может быть увеличена до нескольких нанометров, что позволяет исследовать скрытые границы раздела фаз. Этот метод называется высокоэнергетической рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопией (HAXPES). ^[15]

Состав материала можно количественно проанализировать с помощью рентгеновской флуоресценции (XRF). Обнаружение XRF также используется в нескольких других методах, таких как XAS и XSW, в которых необходимо измерить изменение поглощения конкретного элемента. ^{[ необходима цитата ]}

Другие методы спектроскопии включают фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), мягкую рентгеновскую эмиссионную спектроскопию и ядерно-резонансную колебательную спектроскопию , которая связана с мессбауэровской спектроскопией . ^{[ необходима цитата ]}

Изображение [ править ]

Синхротронное рентгеновское излучение можно использовать для традиционной рентгеновской визуализации , фазово-контрастной рентгеновской визуализации и томографии . Длина волны рентгеновского излучения по шкале Ангстрема позволяет получать изображения значительно ниже дифракционного предела видимого света, но практически наименьшее из достигнутых до сих пор разрешений составляет около 30 нм. ^[16] Такие источники нанозондов используются для сканирующей просвечивающей рентгеновской микроскопии (СТРМ). Получение изображений можно комбинировать со спектроскопией, такой как рентгеновская флуоресценция или рентгеновская абсорбционная спектроскопия , для картирования химического состава или степени окисления образца с субмикронным разрешением. ^[17]

Другие методы визуализации включают когерентную дифракционную визуализацию . ^{[ необходима цитата ]}

Подобная оптика может использоваться для фотолитографии для структур MEMS, которые могут использовать синхротронный луч как часть процесса LIGA . ^{[ необходима цитата ]}

Компактные синхротронные источники света [ править ]

Из-за полезности настраиваемого коллимированного когерентного рентгеновского излучения были предприняты усилия по созданию более экономичных источников света меньшего размера, производимых синхротронами. Цель состоит в том, чтобы сделать такие источники доступными в исследовательской лаборатории по соображениям стоимости и удобства; в настоящее время исследователи должны выезжать на объект для проведения экспериментов. Одним из методов создания компактного источника света является использование сдвига энергии из-за комптоновского рассеяния почти видимых лазерных фотонов на электронах, накопленных при относительно низких энергиях в десятки мегаэлектронвольт (см., Например, компактный источник света (CLS) ^[18]).). Однако таким образом может быть получено относительно низкое поперечное сечение столкновения, а частота следования лазеров ограничена несколькими герцами, а не мегагерцами, естественно возникающими при нормальном излучении накопительного кольца. Другой метод заключается в использовании ускорения плазмы для уменьшения расстояния, необходимого для ускорения электронов из состояния покоя, до энергий, необходимых для УФ или рентгеновского излучения в магнитных устройствах. ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

• Перечень объектов синхротронного излучения
• Список источников света

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Elettra Sincrotrone Trieste - Источники света Elettra и FERMI
• Получение изображений древних насекомых с помощью синхротронного источника света - BBC
• Синхротронный свет на ВГД