Transcript Promieniowanie synchrotronowe i jego zastosowan..

Promieniowanie
synchrotronowe i jego
zastosowania (EXAFS,
XANES)
Konrad Osiecki
IS (WFiIS) gr.1.
Plan prezentacji
• trochę historii (starsze sposoby
otrzymywani promieniowani X)
• promieniowanie synchrotronowe (jak wygląda
synchrotron)
• niektóre własności promieniowania
synchrotronowego
• wigglery i ondulatory
• przykład synchrotronu (ESRF)
• zastosowanie promieniowania
synchrotronowego (EXAFS)
Troszkę historii
Troszkę historii – c.d.
Elektron uderza w atom i
wybija w atomie elektron
z wewnętrznej powłoki.
Elektron z któreś z
dalszych powłok zapełnia
wolne miejsce, co
produkuje promieniowanie
X o charakterystycznej
energii równej różnicy
energetycznej tych dwóch
powłok.
Troszkę historii – c.d.
promieniowanie K promieniowanie
powstałe w wyniku
przeskoku elektronu
z powłoki L do K po
wcześniejszym
wybiciu elektronu z
powłoki K pod
wpływem działania
czynnika
zewnętrznego
(głęboka jonizacja)
Liczba
kwantowa
główna n
Symbol
powłoki
1
2
3
4
K
L
N
M itd.
Promieniowanie
synchrotronowe
Jest to promieniowanie wysyłane przez
cząstki (elektrony lub pozytrony),
poruszające się po torze kołowym.
Pierścień akumulacyjny
Pierścień akumulacyjny
– magnes zakrzywiający
Gdy cząstki przechodzą przez ten magnes
ich tor ruchu zostaje odchylony o kilka
stopni. Podczas odchylania (działa
przyspieszenie dośrodkowe! – zmienia się
kierunek wektora prędkości!) emitują one
promieniowanie synchrotronowe.
Pierścień akumulacyjny
– wigglery i ondulatory
Należą do tzw. insertion devices i powodują
harmoniczny ruch cząstek na prostych odcinkach
pierścienia dzięki zastosowaniu specjalnych
macierzy magnesów. Elektrony wprawione w ruch
znów emitują promieniowanie, a wigglery i
ondulatory pozwalają na uzyskanie pożądanych
cech tego promieniowania w znacznie większej
skali.
Pierścień akumulacyjny
– pozostałe urządzenia
W miejscach, gdzie promieniowanie
synchrotronowe jest emitowane buduje się linie
eksperymentalne składające się z:
• monochromatorów – kryształ lub kilka warstw
kryształów przepuszczających falę o danej
długości lub pewien zakres fal promieniowania
• zwierciadeł, soczewek – służą do
maksymalnego możliwego skupienia wiązki
promieniowania monochromatycznego
Jednym z charakterystycznych parametrów
promieniowania synchrotronowego jest kąt
otwarcia γ-1:
2
mc
 1 
Ee
Parametr ten z reguły wynosi ok. 0.1
miliradiana.
Efekt Dopplera
Dla ciał zbliżających się (do nas):
f  f '
v
1
c
v
1
c
Efekt Dopplera – c.d.
Efekt Dopplera – c.d.
W pierwszym przypadku odległość wysyłanych fali:
Czyli obserwator zobaczy:
c  v  t '

t 

c
W drugim (ogólniejszym przypadku):
 c  v  t '
1    t '
t  1   cos   t '
To można rozpisać jako (ponieważ β i cosα są bliskie
jedności):
2

 
1    
1   
t  1  1  2  1    t '  
 t '
2
 2

2 
  2  


2
calkowite   3o
Częstotliwość
Przejście z A do C:
  1 
1
T
'



2

o


Ale obserwator
obserwuje czas
skrócony γ2 krótszy,
zatem ostatecznie rząd
wielkości dla
częstotliwości
promieniowania:
calkowite   o
3
Promieniowanie synchrotronowe obejmuje
bardzo szeroki zakres widmowy: od
promieniowania podczerwonego, poprzez
obszar widzialny i ultrafiolet aż do
twardego promieniowania rentgenowskiego
(czyli fali o częstotliwości rzędu 1018).
Doświadczenia w synchrotronie przeprowadza
się na wielu paczkach elektronów,
wpuszczanych w równych odległościach od
siebie.
Cykl pracy jednej paczki elektronów na
pierścieniu akumulacyjnym dł. 300m wynosi
1µs. Paczka jest długości rzędu 1cm, a czas
trwania jednego impulsu jest rzędu 100ps.
Szacowana moc wypromieniowana na odcinku L
(wzdłuż drogi elektronu) wynosi:
P  kW   1.266E GeV  B T  L  m I  A
2
e
2
Wigglery (wigglers)
• poprawa intensywności promieniowania o czynnik
2N (N – liczba okresów)
•wypromieniowana moc:
P  kW   0.663E GeV  B0 T  L  m I  A
2
e
• długość L ok. 1m
• intensywności
są dodawane
2
Ondulatory (undulators)
• promieniowanie z jednej oscylacji jest w fazie
z następnymi oscylacjami
• amplitudy są najpierw dodawane, suma jest
podniesiona
do kwadratu  intensywność
• amplitudy
przez γ-1
skalowalne
• sumowanie amplitud
obowiązuje dla jednej
określonej dł. Fali
 promieniowanie
(prawie) monochromatyczne
Współczynnik K
u eB0
K
 0.934u  cm B0 T 
mc  2
• dla wigglerów wynosi ok.20-50 (tylko w
płaszczyźnie poziomej)
• dla ondulatorów wynosi ok. 1. W konsekwencji
kąt otwarcia jest skompresowany o czynnik
1/ N . N wynosi z reguły ok. 50.
Podstawowa dł. fali – λ1
u  K 2
2
1    2 1 
   
2 
2

Przy typowych wartościach γ-2 rzędu 10-8 oraz
λu rzędu 10-2m λ1 jest rzędu Angströma (10-10) i
dlatego mieści się w zakresie promieniowania
X.
ERSF–European Synchrotron
Radiation Facility
• znajduje się w Grenoble (Francja) – wspierane
i współdzielone przez 18 krajów Europy
• budżet – w 2004 roku wyniósł 74 mln €
• załoga – 600 ludzi
• ok. 3500 naukowców rocznie
wykonuje tu eksperymenty
• ponad 1600 podań rocznie o możliwość wykonania
eksperymentu
ESRF – Pre-injector
Preinjector
Repetition rate
Pulse length
Electron current
Długość impulsu:
1μs lub 1ns
200 MeV
1 Hz/10Hz
1000 – 2 ns
25 – 2500 mA
ESRF - Booster
ESRF - Booster
Repetition Rate
10 Hz
Energy
Circumference
6 GeV
300 m
ERSF – Storage Ring
• obwód: 844.4 m
Energy
6.03 GeV
• zadaniem jest
utrzymać energię
6 GeV uzyskanych
w boosterze
Max. Current
200 mA
Frequency
355 kHz
Number of bunches
1 to 992
• 64 magnesy
zakrzywiające
Time between
bunches
2816 to 2.82 ns
• wiązka skupiana przez 320
kwadropolów
• 16 skecji 6-metrowych, w których można
umieścić insertion devices o długości do 5 m
• wszystkie rodzaje eksperymentów (ondulatory i
wigglery)
ERSF – Storage Ring
(u góry)panorama z inseriotn
devices (różowe)
(z boku) widok z góry na fragment
pierścienia 
EXAFS - Extended X-Ray
Absorption Fine Structure
• Wykorzystuje proces
absorpcji
fotoelektrycznej
• linia absorpcji pokazuje
gwałtowny skok
prawdopodobieństwa wyrwania
elektronu z powłoki K
• po dostarczeniu odpowiednio
dużej energii wyrwany zostaje
elektron z powłoki K
(ucieka z atomu) i rozchodzi
się w postaci fali
EXAFS
Fotoelektron
wyzwalany
przez padający
kwant energię
kinetyczną:
E  h  EK
Fala fotoelektronu, rozchodząc się w próbce,
napotyka sąsiednie atomy, od których się odbija.
EXAFS
Odbita fala elektronu interferuje z falą
biegnącą, czego wynikiem jest albo jej
wzmocnienie, albo osłabienie (w zależności od
odległości
od sąsiadów).
EXAFS
Transmisja:
I1
   E d
T  e
I0

współczynnik absorpcji
μ(E)
EXAFS
Całkowity współczynnik absorpcji powyżej
krawędzi można zapisać:
gdzie:
  k   0  k  1    k  
k
2m    EK 
2
i k jest liczbą falową elektronu.
Można uznać, że:
  0   k 
EXAFS
Funkcję χ(k) można przedstawić następująco:
 k   
j
N j f j  k, 
kR
2
j
e
2 2j k 2 2 dR j
e
sin  2kR j   j  k  
2kRj – odzwierciedla faz padającego i rozproszonego el.
  k  - przesunięcie fazowe – konsekwencja potencjału atomu
centralnego i atomu rozpraszającego falę el.
EXAFS