Источник синхротронного света

Ускоритель частиц, предназначенный для получения интенсивных рентгеновских пучков

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

Источник синхротронного света — это источник электромагнитного излучения (ЭМ), обычно создаваемого накопительным кольцом [ ^1] для научных и технических целей. Впервые обнаруженный в синхротронах , синхротронный свет теперь производится накопительными кольцами и другими специализированными ускорителями частиц , обычно ускоряющими электроны . После того, как высокоэнергетический электронный пучок сгенерирован, он направляется во вспомогательные компоненты, такие как изгибающие магниты и вставные устройства ( ондуляторы или вигглеры ) в накопительных кольцах и лазерах на свободных электронах . Они создают сильные магнитные поля, перпендикулярные пучку, которые необходимы для стимуляции высокоэнергетических электронов для испускания фотонов .

Основные области применения синхротронного света — физика конденсированных сред , материаловедение , биология и медицина . Значительная часть экспериментов с использованием синхротронного света включает исследование структуры вещества от субнанометрового уровня электронной структуры до микрометровых и миллиметровых уровней, важных для медицинской визуализации . Примером практического промышленного применения является производство микроструктур с помощью процесса LIGA .

Синхротрон является одним из самых дорогих известных видов источников света, но это практически единственный жизнеспособный источник широкополосного излучения в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн для некоторых приложений, таких как абсорбционная спектрометрия в дальнем инфракрасном диапазоне.

Спектральная яркость

Основным показателем качества, используемым для сравнения различных источников синхротронного излучения, были «яркость», «сияние» и «спектральная яркость», причем последний термин был рекомендован как лучший выбор Рабочей группой по номенклатуре синхротронного излучения. ^[2] Независимо от выбранного названия, этот термин является мерой полного потока фотонов в заданном шестимерном фазовом пространстве на единицу ширины полосы пропускания (BW). ^[3]

Спектральная яркость определяется выражением

${\displaystyle B={\frac {{\dot {N}}_{\text{ph}}}{4\pi ^{2}\sigma _{x}\sigma _{y}\sigma _{x'}\sigma _{y'}{\frac {d\omega }{\omega }}}},}$

где — число фотонов в секунду в пучке, а — среднеквадратические значения размера пучка по осям, перпендикулярным направлению пучка, а — среднеквадратичные значения телесного угла пучка по осям x и y , а — относительная ширина полосы пропускания или разброс частот пучка вокруг центральной частоты. ^[4] Обычное значение ширины полосы пропускания составляет 0,1%. ^[2] ${\displaystyle {\dot {N}}_{\text{ph}}}$ ${\displaystyle \sigma _{x}}$ ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \sigma _{x'}}$ ${\displaystyle \sigma _{y'}}$ ${\textstyle {\frac {d\omega }{\omega }}}$

Спектральная яркость имеет единицы измерения времени ⁻¹ ⋅расстояние ⁻² ⋅угол ⁻² ⋅(% ширины полосы пропускания) ⁻¹ .

Свойства источников

Синхротронное излучение, особенно созданное искусственно, примечательно тем, что:

• Высокая яркость, на много порядков превышающая яркость рентгеновских лучей, получаемых в обычных рентгеновских трубках: источники 3-го поколения обычно имеют яркость более 1018 ^{фотонов} ·с ⁻¹ ·мм ⁻² ·мрад ⁻² /(0,1%BW), где 0,1%BW обозначает ширину полосы 10−3 ^ω , центрированную вокруг частоты ω .
• Высокий уровень поляризации (линейная, эллиптическая или круговая).
• Высокая коллимация, т.е. малое угловое расхождение луча.
• Низкая эмиссионная способность, т.е. произведение поперечного сечения источника на телесный угол излучения мало.
• Широкая перестраиваемость по энергии/длине волны за счет монохроматизации (диапазон от субэлектронвольт до мегаэлектронвольт ).
• Импульсное излучение света (длительность импульса не превышает одной наносекунды или одной миллиардной доли секунды).

Синхротронное излучение от ускорителей

Синхротронное излучение может возникать в ускорителях либо как помеха, вызывая нежелательную потерю энергии в контексте физики элементарных частиц , либо как преднамеренно созданный источник излучения для многочисленных лабораторных приложений. Электроны разгоняются до высоких скоростей в несколько этапов, чтобы достичь 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 на коэффициент . Релятивистское лоренцево сокращение увеличивает частоту еще на коэффициент , тем самым умножая гигагерцовую частоту резонансной полости, которая ускоряет электроны в рентгеновский диапазон. Другим драматическим эффектом относительности является то, что диаграмма излучения искажается от диаграммы изотропного диполя, ожидаемой из нерелятивистской теории, в чрезвычайно направленный вперед конус излучения. Это делает источники синхротронного излучения самыми яркими известными источниками рентгеновских лучей. Плоская геометрия ускорения делает излучение линейно поляризованным при наблюдении в орбитальной плоскости и циркулярно поляризованным при наблюдении под небольшим углом к ​​этой плоскости. ^{[ необходима цитата ]} ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \gamma }$

Преимущества использования синхротронного излучения для спектроскопии и дифракции были осознаны постоянно растущим научным сообществом, начиная с 1960-х и 1970-х годов. Вначале ускорители строились для физики элементарных частиц, а синхротронное излучение использовалось в «паразитном режиме», когда изгибающее магнитное излучение приходилось извлекать, сверля дополнительные отверстия в трубах пучка. Первым накопительным кольцом, введенным в эксплуатацию в качестве источника синхротронного света, был Tantalus в Центре синхротронного излучения , впервые введенный в эксплуатацию в 1968 году. ^[5] Поскольку синхротронное излучение ускорителя становилось все более интенсивным, а его применение — более перспективным, в существующие кольца были встроены устройства, которые увеличивали интенсивность синхротронного излучения. Источники синхротронного излучения третьего поколения были задуманы и оптимизированы с самого начала для получения ярких рентгеновских лучей. Рассматриваются источники четвертого поколения, которые будут включать в себя различные концепции для получения ультраяркого, импульсного, структурированного во времени рентгеновского излучения для чрезвычайно сложных и, вероятно, еще не задуманных экспериментов. ^{[ необходима ссылка ]}

Для генерации этого излучения впервые были использованы изгибающие электромагниты в ускорителях, но для генерации более сильного излучения иногда используются другие специализированные устройства – устройства вставки. Текущие (третьего поколения) источники синхротронного излучения обычно зависят от этих устройств вставки, где прямые секции накопительного кольца включают периодические магнитные структуры (состоящие из множества магнитов в узоре чередующихся полюсов N и S – см. схему выше), которые заставляют электроны двигаться по синусоидальной или спиральной траектории. Таким образом, вместо одного изгиба, многие десятки или сотни «покачиваний» в точно рассчитанных положениях суммируют или умножают общую интенсивность пучка. ^{[ необходима цитата ]}

Эти устройства называются вигглеры или ондуляторы . Главное различие между ондулятором и вигглером заключается в интенсивности их магнитного поля и амплитуде отклонения от прямолинейного пути электронов. ^{[ необходима цитата ]}

В накопительном кольце имеются отверстия, позволяющие излучению выходить и следовать по линии пучка в вакуумную камеру экспериментаторов. Большое количество таких линий пучка может выходить из современных источников синхротронного излучения третьего поколения. ^{[ необходима цитата ]}

Кольца для хранения

Электроны могут быть извлечены из ускорителя и сохранены в сверхвысоковакуумном вспомогательном магнитном накопительном кольце, где они могут совершать круги большое количество раз. Магниты в кольце также должны многократно повторно сжимать пучок против сил Кулона ( пространственный заряд ), которые стремятся разрушить электронные сгустки. Изменение направления является формой ускорения, и, таким образом, электроны испускают излучение с энергиями ГэВ. ^{[ необходима цитата ]}

Применение синхротронного излучения

• Синхротронное излучение электронного пучка, циркулирующего с высокой энергией в магнитном поле, приводит к радиационной самополяризации электронов в пучке ( эффект Соколова-Тернова ). ^[6] Этот эффект используется для получения высокополяризованных электронных пучков для использования в различных экспериментах. ^{[ требуется ссылка ]}
• Синхротронное излучение задает размеры пучка (определяемые эмиттансом пучка ) в электронных накопительных кольцах посредством эффектов затухания излучения и квантового возбуждения. ^[7]

Линии луча

Линии луча Солей

На синхротронной установке электроны обычно ускоряются синхротроном , а затем инжектируются в накопительное кольцо , в котором они циркулируют, производя синхротронное излучение, но не приобретая дополнительной энергии. Излучение проецируется по касательной к электронному накопителю и захватывается пучковыми каналами . Эти пучковые каналы могут возникать в поворотных магнитах, которые отмечают углы накопительного кольца; или вставных устройствах , которые расположены на прямых участках накопительного кольца. Спектр и энергия рентгеновских лучей различаются между двумя типами. Пучковый канал включает рентгеновские оптические устройства, которые управляют полосой пропускания , потоком фотонов, размерами пучка, фокусировкой и коллимацией лучей. Оптические устройства включают щели, аттенюаторы, кристаллические монохроматоры и зеркала. Зеркала могут быть изогнуты в кривые или тороидальные формы для фокусировки пучка. Высокий поток фотонов на небольшой площади является наиболее распространенным требованием к пучковому каналу. Конструкция пучкового канала будет различаться в зависимости от применения. В конце пучка находится экспериментальная конечная станция, где образцы помещаются на линию излучения, а детекторы устанавливаются для измерения результирующей дифракции , рассеяния или вторичного излучения.

Экспериментальные методы и их применение

Синхротронное излучение является идеальным инструментом для многих типов исследований в области материаловедения , физики и химии и используется исследователями из академических, промышленных и государственных лабораторий. Несколько методов используют преимущества высокой интенсивности, настраиваемой длины волны, коллимации и поляризации синхротронного излучения на пучковых линиях, которые предназначены для определенных видов экспериментов. Высокая интенсивность и проникающая способность синхротронного рентгеновского излучения позволяет проводить эксперименты внутри ячеек образцов, разработанных для определенных сред. Образцы могут нагреваться, охлаждаться или подвергаться воздействию газа, жидкости или среды высокого давления. Эксперименты, в которых используются эти среды, называются in situ и позволяют характеризовать явления в атомном и наномасштабе, которые недоступны большинству других инструментов характеризации. Измерения in operando предназначены для максимально точной имитации реальных рабочих условий материала. ^[8]

Дифракция и рассеяние

Эксперименты по рентгеновской дифракции (XRD) и рассеянию проводятся на синхротронах для структурного анализа кристаллических и аморфных материалов. Эти измерения могут проводиться на порошках , монокристаллах или тонких пленках . Высокое разрешение и интенсивность синхротронного пучка позволяют измерять рассеяние от разбавленных фаз или анализировать остаточное напряжение . Материалы можно изучать при высоком давлении с использованием ячеек с алмазными наковальнями для моделирования экстремальных геологических сред или для создания экзотических форм материи. ^{[ необходима цитата ]}

Структура субъединицы рибосомы определена с высоким разрешением с использованием синхротронной рентгеновской кристаллографии. ^[9]

Рентгеновская кристаллография белков и других макромолекул (PX или MX) выполняется регулярно. Эксперименты по кристаллографии на основе синхротрона были неотъемлемой частью решения структуры рибосомы ; [ ^{9] [10] эта} работа принесла Нобелевскую премию по химии в 2009 году.

Размер и форма наночастиц характеризуются с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS). Наноразмерные особенности на поверхностях измеряются с помощью похожей техники, малоуглового рентгеновского рассеяния скользящего падения (GISAXS). ^[11] В этом и других методах чувствительность поверхности достигается путем размещения поверхности кристалла под небольшим углом относительно падающего пучка, что обеспечивает полное внешнее отражение и минимизирует проникновение рентгеновских лучей в материал. ^{[ необходима цитата ]}

Детали поверхностей , интерфейсов и тонких пленок в масштабе от атомов до наночастиц можно охарактеризовать с помощью таких методов, как рентгеновская отражательная способность (XRR) и анализ методом усечения кристалла (CTR). ^{[12] Измерения} стоячей рентгеновской волны (XSW) также можно использовать для определения положения атомов на поверхности или вблизи нее; для этих измерений требуется оптика с высоким разрешением, способная разрешать динамические явления дифракции. ^[13]

Аморфные материалы, включая жидкости и расплавы, а также кристаллические материалы с локальным беспорядком, можно исследовать с помощью анализа функции распределения рентгеновских пар , который требует данных рассеяния рентгеновских лучей высокой энергии. ^[14]

Настраивая энергию пучка через край поглощения конкретного интересующего элемента, можно модифицировать рассеяние атомов этого элемента. Эти так называемые резонансные аномальные методы рентгеновского рассеяния могут помочь разрешить вклады рассеяния от определенных элементов в образце. ^{[ необходима цитата ]}

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

Спектроскопия

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 в поглощении. Фотоэлектронные переходы вызывают модуляции вблизи края поглощения, и анализ этих модуляций (называемый структурой рентгеновского поглощения вблизи края (XANES) или тонкой структурой рентгеновского поглощения вблизи края (NEXAFS)) раскрывает информацию о химическом состоянии и локальной симметрии этого элемента. При энергиях падающего пучка, которые намного выше края поглощения, рассеяние фотоэлектронов вызывает «кольцевые» модуляции, называемые расширенной тонкой структурой рентгеновского поглощения (EXAFS). Преобразование Фурье режима EXAFS дает длины связей и количество окружающих поглощающий атом; поэтому он полезен для изучения жидкостей и аморфных материалов ^[15] , а также редких видов, таких как примеси. Схожая методика, рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD), использует циркулярно поляризованные рентгеновские лучи для измерения магнитных свойств элемента. ^{[ необходима ссылка ]}

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) может быть выполнена на пучковых каналах, оборудованных фотоэлектронным анализатором . Традиционная XPS обычно ограничивается зондированием верхних нескольких нанометров материала в вакууме. Однако высокая интенсивность синхротронного света позволяет проводить XPS-измерения поверхностей при давлении газа, близком к атмосферному. XPS при давлении окружающей среды (AP-XPS) может использоваться для измерения химических явлений в моделируемых каталитических или жидких условиях. ^[16] Использование высокоэнергетических фотонов дает фотоэлектроны с высокой кинетической энергией, которые имеют гораздо большую неупругую среднюю длину свободного пробега, чем те, которые генерируются на лабораторном приборе XPS. Таким образом, глубина зондирования синхротронной XPS может быть увеличена до нескольких нанометров, что позволяет изучать скрытые интерфейсы. Этот метод называется высокоэнергетической рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопией (HAXPES). ^[17] Кроме того, настраиваемая природа энергии синхротронных рентгеновских фотонов обеспечивает широкий диапазон глубинной чувствительности порядка 2–50 нм. ^[18] Это позволяет проводить зондирование образцов на больших глубинах и проводить неразрушающие эксперименты по глубинному профилированию.

Состав материала может быть количественно проанализирован с помощью рентгеновской флуоресценции (XRF). XRF-детектирование также используется в нескольких других методах, таких как XAS и XSW, в которых необходимо измерить изменение поглощения определенного элемента. ^{[ необходима цитата ]}

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

Визуализация

Канал рентгеновского нанозонда на усовершенствованном источнике фотонов

Синхротронное рентгеновское излучение может использоваться для традиционной рентгеновской визуализации , фазово-контрастной рентгеновской визуализации и томографии . Длина волны рентгеновских лучей в ангстремовском масштабе позволяет получать изображения значительно ниже предела дифракции видимого света, но на практике наименьшее достигнутое на сегодняшний день разрешение составляет около 30 нм. ^[19] Такие источники нанозондов используются для сканирующей просвечивающей рентгеновской микроскопии (STXM). Визуализацию можно сочетать со спектроскопией, такой как рентгеновская флуоресценция или рентгеновская абсорбционная спектроскопия, чтобы картировать химический состав или состояние окисления образца с субмикронным разрешением. ^[20]

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

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

Компактные источники синхротронного света

Из-за полезности настраиваемого коллимированного когерентного рентгеновского излучения были предприняты усилия по созданию более компактных и экономичных источников света, производимого синхротронами. Цель состоит в том, чтобы сделать такие источники доступными в исследовательской лаборатории по соображениям стоимости и удобства; в настоящее время исследователям приходится ездить на объект для проведения экспериментов. Один из методов создания компактного источника света заключается в использовании энергетического сдвига от комптоновского рассеяния почти видимых лазерных фотонов от электронов, хранящихся при относительно низких энергиях в десятки мегаэлектронвольт (см., например, компактный источник света (CLS) ^[21] ). Однако таким образом можно получить относительно низкое поперечное сечение столкновения, а частота повторения лазеров ограничена несколькими герцами, а не мегагерцовыми частотами повторения, естественным образом возникающими при обычном излучении накопительного кольца. Другой метод заключается в использовании плазменного ускорения для сокращения расстояния, необходимого для ускорения электронов из состояния покоя до энергий, необходимых для УФ- или рентгеновского излучения в магнитных устройствах. ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

• Список объектов синхротронного излучения
• Список источников света

Ссылки

1. Справочник по синхротронному излучению , том 1а, под ред. Эрнста-Экхарда Коха, Северная Голландия, 1983 г., перепечатано в "Synchrotron Radiation Turns the Big Five-O". Архивировано 16 сентября 2008 г. в Wayback Machine.
2. Mills, DM; Helliwell, JR; Kvick, Å.; Ohta, T.; Robinson, IA; Authier, A. (1 мая 2005 г.). «Отчет рабочей группы по номенклатуре синхротронного излучения – яркость, спектральная яркость или блеск?». Журнал синхротронного излучения . 12 (3): 385. Bibcode : 2005JSynR..12..385M. doi : 10.1107/S090904950500796X . PMID  15840926. Получено 8 апреля 2022 г.
3. Нильсен, Йенс (2011). Элементы современной рентгеновской физики . Чичестер, Западный Суссекс: John Wiley. ISBN 9781119970156.
4. Видеманн, Хельмут (2007). Физика ускорителей частиц (3-е изд.). Берлин: Springer. С. 782. ISBN 9783540490432.
5. EM Rowe и FE Mills, Tantalus I: A Dedicated Storage Ring Synchrotron Radiation Source, Particle Accelerators, т. 4 (1973); страницы 211-227.
6. А. А. Соколов; И. М. Тернов (1986). CW Kilmister (ред.). Излучение релятивистских электронов . Серия переводов. Нью-Йорк: Американский институт физики. ISBN 978-0-88318-507-0.
7. Физика электронных накопительных колец: введение Мэтта Сэндса Архивировано 2015-05-11 на Wayback Machine
8. Нельсон, Джоанна; Мисра, Сумохан; Ян, Юань; Джексон, Ариэль; Лю, Ицзинь; и др. (2012-03-30). «В операндо рентгеновская дифракция и просвечивающая рентгеновская микроскопия литий-серных батарей». Журнал Американского химического общества . 134 (14): 6337–6343. doi :10.1021/ja2121926. PMID  22432568.
9. Ban, N.; Nissen, P.; Hansen, J.; Moore, P.; Steitz, T. (2000-08-11). «Полная атомная структура большой рибосомальной субъединицы с разрешением 2,4 Å». Science . 289 (5481): 905–920. Bibcode :2000Sci...289..905B. doi :10.1126/science.289.5481.905. PMID  10937989.
10. Королевская Шведская академия наук, «Нобелевская премия по химии 2009 года: информация для общественности», дата обращения 20 июня 2016 г.
11. Рено, Жиль; Лаззари, Реми; Леруа, Фредерик (2009). «Зондирование морфологии поверхности и интерфейса с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния скользящего падения». Surface Science Reports . 64 (8): 255–380. Bibcode : 2009SurSR..64..255R. doi : 10.1016/j.surfrep.2009.07.002.
12. Робинсон, IK; Твит, DJ (1992-05-01). "Поверхностная рентгеновская дифракция". Reports on Progress in Physics . 55 (5): 599–651. Bibcode : 1992RPPh...55..599R. doi : 10.1088/0034-4885/55/5/002. S2CID  250899816.
13. Головченко, JA; Патель, JR; Каплан, DR; Коуэн, PL; Бедзик, MJ (1982-08-23). ​​"Решение проблемы регистрации поверхности с использованием стоячих рентгеновских волн" (PDF) . Physical Review Letters . 49 (8): 560–563. Bibcode : 1982PhRvL..49..560G. doi : 10.1103/physrevlett.49.560.
14. Т. Эгами, С. Дж. Л. Биллинге, «Под пиками Брэгга: структурный анализ сложных материалов», Pergamon (2003)
15. Sayers, Dale E.; Stern, Edward A.; Lytle, Farrel W. (1971-11-01). "Новый метод исследования некристаллических структур: Фурье-анализ расширенной тонкой структуры рентгеновского поглощения". Physical Review Letters . 27 (18): 1204–1207. Bibcode : 1971PhRvL..27.1204S. doi : 10.1103/physrevlett.27.1204.
16. Блюм, Хендрик; Хавекер, Майкл; Кноп-Герике, Аксель; Кискинова, Майя; Шлёгль, Роберт; Салмерон, Микель (2017). «Исследование границ раздела газ-твердое тело с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии in situ в условиях, близких к окружающей среде». Вестник МРС . 32 (12): 1022–1030. дои : 10.1557/mrs2007.211. ОСТИ  927255. S2CID  55577979.
17. Sing, M.; Berner, G.; Goß, K.; Müller, A.; Ruff, A.; Wetscherek, A.; Thiel, S.; Mannhart, J.; Pauli, SA; Schneider, CW; Willmott, PR; Gorgoi, M.; Schäfers, F.; Claessen, R. (2009-04-30). "Профилирование электронного газа интерфейса гетероструктур LaAlO ₃ /SrTiO ₃ с помощью жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии". Physical Review Letters . 102 (17): 176805. arXiv : 0809.1917 . Bibcode :2009PhRvL.102q6805S. doi : 10.1103/physrevlett.102.176805. PMID  19518810. S2CID  43739895.
18. Гун, Чжэнлян; Ян, Юн (2018). «Применение методов синхротронного рентгеновского излучения для изучения перезаряжаемых батарей». Журнал энергетической химии . 27 (6): 1566–1583. doi :10.1016/j.jechem.2018.03.020. S2CID  104038441.
19. Аргоннский национальный лабораторный центр наноматериалов, «Возможности рентгеновской микроскопии», дата обращения 20.06.2016
20. Beale, Andrew M.; Jacques, Simon DM; Weckhuysen, Bert M. (2010). «Химическая визуализация каталитических твердых тел с помощью синхротронного излучения». Chemical Society Reviews . 39 (12): 4656–4672. doi :10.1039/c0cs00089b. hdl : 1874/290865 . PMID  20978688.
21. "Миниатюрный синхротрон производит первый свет". Eurekalert.org . Получено 2009-10-19 .

Внешние ссылки

• Elettra Sincrotrone Trieste - источники света Elettra и FERMI
• Получение изображений древних насекомых с помощью источника синхротронного света -- BBC
• Синхротронный свет в IOP