Источник синхротронного света

Ускоритель частиц, предназначенный для получения интенсивных рентгеновских лучей.

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

Источник синхротронного света — источник электромагнитного излучения (ЭМ) , обычно создаваемый накопителем [ ^1] для научных и технических целей. Синхротронный свет, впервые обнаруженный в синхротронах , теперь создается накопительными кольцами и другими специализированными ускорителями частиц , обычно ускоряющими электроны . После генерации пучка высокоэнергетических электронов он направляется на вспомогательные компоненты, такие как изгибающие магниты и устройства вставки ( ондуляторы или вигглеры ) в накопительные кольца и лазеры на свободных электронах . Они создают сильные магнитные поля, перпендикулярные лучу, которые необходимы для стимулирования высокоэнергетических электронов к испусканию фотонов .

Основные применения синхротронного света находятся в физике конденсированного состояния , материаловедении , биологии и медицине . Большая часть экспериментов с использованием синхротронного света включает исследование структуры вещества от субнанометрового уровня электронной структуры до микрометрового и миллиметрового уровней, важных для медицинской визуализации . Примером практического промышленного применения является производство микроструктур с помощью процесса LIGA .

Синхротрон - один из самых дорогих известных источников света, но он 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 названы «яркость», «блеск» и «спектральная яркость», причем последний термин был рекомендован Рабочей группой по Синхротронная номенклатура. ^[2] Независимо от выбранного названия, этот термин является мерой общего потока фотонов в данном шестимерном фазовом пространстве на единицу 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 пучке в секунду, – среднеквадратические значения размера луча в осях, перпендикулярных направлению луча, и – среднеквадратические значения телесного угла луча в измерениях x и y . , и представляет собой относительную полосу пропускания или разброс частоты луча вокруг центральной частоты. ^[4] Обычное значение пропускной способности 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 времени ⁻¹ ⋅расстояние ⁻² ⋅угол ⁻² ⋅(% полосы пропускания) ⁻¹ .

Свойства источников

Синхротронное излучение, особенно искусственно полученное, отличается:

• Высокая яркость, на много порядков выше, чем у рентгеновских лучей, получаемых в обычных рентгеновских трубках: источники 3-го поколения обычно имеют яркость более 10 ¹⁸ фотонов·с ^-1 ·мм ^-2 ·мрад ^-2/ (0,1% BW), где 0,1% BW обозначает полосу пропускания 10 ^-3 ω , центрированную вокруг частоты ω .
• Высокий уровень поляризации (линейная, эллиптическая или круговая).
• Высокая коллимация, т.е. малая угловая расходимость луча.
• Низкий эмиттанс, т.е. произведение поперечного сечения источника и телесного угла излучения мало.
• Широкие возможности настройки энергии/длины волны путем монохроматизации (диапазон от субэлектронвольта до мегаэлектронвольта ).
• Импульсное световое излучение (длительность импульса не превышает одной наносекунды или миллиардной доли секунды).

Синхротронное излучение ускорителей

Синхротронное излучение может возникать в ускорителях либо как помеха, вызывающая нежелательные потери энергии в контексте физики элементарных частиц , либо как намеренно создаваемый источник излучения для многочисленных лабораторных применений. Электроны ускоряются до высоких скоростей в несколько этапов для достижения конечной энергии, которая обычно находится в диапазоне гигаэлектронвольт. Сильные магнитные поля заставляют электроны двигаться по замкнутому пути. Это похоже на радиоантенну, но с той разницей, что релятивистская скорость изменяет наблюдаемую частоту из-за эффекта Доплера в . Релятивистское лоренцево сжатие увеличивает частоту еще на один раз , тем самым умножая гигагерцовую частоту резонансной полости, которая ускоряет электроны в рентгеновский диапазон. Еще одним драматическим эффектом теории относительности является то, что диаграмма направленности искажается из изотропной дипольной диаграммы, ожидаемой из нерелятивистской теории, в чрезвычайно направленный вперед конус излучения. Это делает источники синхротронного излучения наиболее яркими из известных источников рентгеновского излучения. Геометрия планарного ускорения делает излучение линейно поляризованным при наблюдении в плоскости орбиты и циркулярно поляризованным при наблюдении под небольшим углом к ​​этой плоскости. ^{[ нужна 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 создавались для физики элементарных частиц, а синхротронное излучение использовалось в «паразитном режиме», когда излучение изгибного магнита нужно было извлечь путем сверления дополнительных отверстий в лучевых трубах. Первым накопителем , введенным в эксплуатацию в качестве источника синхротронного света, был «Тантал» в ^Центре синхротронного излучения , впервые введенный в эксплуатацию в 1968 году. в существующие кольца. Источники синхротронного излучения третьего поколения с самого начала были задуманы и оптимизированы для получения яркого рентгеновского излучения. В настоящее время рассматриваются источники четвертого поколения, которые будут включать в себя различные концепции получения сверхярких импульсных рентгеновских лучей с временной структурой для чрезвычайно сложных и, вероятно, еще не запланированных экспериментов. ^{[ нужна цитата ]}

Для генерации этого излучения сначала использовались изгибающие электромагниты в ускорителях, но для генерации более сильного излучения иногда применяют другие специализированные устройства — устройства ввода. Современные источники синхротронного излучения (третьего поколения) обычно полагаются на эти вводные устройства, в которых прямые участки накопительного кольца включают периодические магнитные структуры (включающие множество магнитов в схеме чередующихся северных и южных полюсов - см. Диаграмму выше), которые заставляют электроны по синусоидальной или спиральной траектории. Таким образом, вместо одного изгиба множество десятков или сотен «покачиваний» в точно рассчитанных положениях суммируют или умножают общую интенсивность луча. ^{[ нужна цитата ]}

Эти устройства называются вигглерами или ондуляторами . Основное отличие ондулятора от вигглера заключается в напряженности их магнитного поля и амплитуде отклонения от прямолинейного пути электронов. ^{[ нужна цитата ]}

В накопительном кольце имеются отверстия, позволяющие излучению выходить и следовать по лучу в вакуумную камеру экспериментаторов. Большое количество таких каналов может возникнуть от современных источников синхротронного излучения третьего поколения. ^{[ нужна цитата ]}

Кольца хранения

Электроны могут быть извлечены из самого ускорителя и сохранены во вспомогательном магнитном накопителе сверхвысокого вакуума, где они могут совершить большое количество оборотов. Магнитам в кольце также необходимо неоднократно повторно сжимать луч против кулоновских сил ( объемного заряда ), стремящихся разрушить электронные сгустки. Изменение направления является формой ускорения, и поэтому электроны излучают излучение с энергией ГэВ. ^{[ нужна 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 создания высокополяризованных электронных пучков для использования в различных экспериментах. ^{[ нужна цитата ]}
• Синхротронное излучение устанавливает размеры пучка (определяемые эмиттансом пучка ) в накопителях электронов за счет эффектов затухания излучения и квантового возбуждения. ^[7]

Каналы

Лучи Солей

На синхротронной установке 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 накопителю электронов и захватывается лучами . Эти лучи могут исходить от изгибающих магнитов, которые отмечают углы накопительного кольца; или вставные устройства , которые расположены на прямых участках накопителя. Спектр и энергия рентгеновских лучей у этих двух типов различаются. Линия луча включает рентгеновские оптические устройства, которые контролируют полосу пропускания , поток фотонов, размеры луча, фокус и коллимацию лучей. Оптические устройства включают щели, аттенюаторы, кристаллические монохроматоры и зеркала. Зеркала могут быть изогнуты в кривые или тороидальные формы для фокусировки луча. Высокий поток фотонов на небольшой площади является наиболее распространенным требованием к лучу. Конструкция луча будет меняться в зависимости от применения. В конце линии луча находится экспериментальная конечная станция, где образцы размещаются на линии излучения, а детекторы располагаются для измерения результирующей дифракции , рассеяния или вторичного излучения.

Экспериментальные методы и использование

Синхротронный свет является идеальным инструментом для многих видов исследований в области материаловедения , физики и химии и используется исследователями из академических, промышленных и государственных лабораторий. В некоторых методах используются преимущества высокой интенсивности, перестраиваемой длины волны, коллимации и поляризации синхротронного излучения на линиях луча, которые предназначены для конкретных видов экспериментов. Высокая интенсивность и проникающая способность синхротронного рентгеновского излучения позволяет проводить эксперименты внутри ячеек для образцов, предназначенных для конкретных сред. Образцы можно нагревать, охлаждать или подвергать воздействию газа, жидкости или среды высокого давления. Эксперименты, в которых используются эти среды, называются in situ и позволяют охарактеризовать явления атомного и наномасштаба, которые недоступны большинству других инструментов определения характеристик. Операндо- измерения разработаны таким образом, чтобы максимально точно имитировать реальные условия эксплуатации 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 луча позволяют измерять рассеяние на разбавленных фазах или анализировать остаточное напряжение . Материалы можно изучать при высоком давлении с использованием ячеек с алмазными наковальнями для моделирования экстремальных геологических условий или создания экзотических форм материи. ^{[ нужна цитата ]}

Структура субъединицы рибосомы решена с высоким разрешением с помощью синхротронной рентгеновской кристаллографии. ^[9]

Обычно проводят рентгеновскую кристаллографию белков и других макромолекул (PX или MX). Кристаллографические эксперименты 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 (МУРР). Наноразмерные элементы на поверхностях измеряются с помощью аналогичного метода — малоуглового рассеяния рентгеновских лучей скользящего падения (GISAXS). ^[11] В этом и других методах поверхностная чувствительность достигается за счет размещения поверхности кристалла под небольшим углом относительно падающего луча, что обеспечивает полное внешнее отражение и минимизирует проникновение рентгеновских лучей в материал. ^{[ нужна цитата ]}

Детали поверхностей , интерфейсов и тонких пленок на атомном и наноуровне можно охарактеризовать с помощью таких методов, как анализ рентгеновской отражательной способности (XRR) и анализ кристаллического усеченного стержня (CTR). ^{[12] Измерения} стоячей рентгеновской волны (XSW) также можно использовать для измерения положения атомов на поверхности или вблизи нее; для этих измерений требуется оптика высокого разрешения, способная разрешать явления динамической дифракции . ^[13]

Аморфные материалы, включая жидкости и расплавы, а также кристаллические материалы с локальным беспорядком, можно исследовать с помощью анализа парной функции распределения рентгеновских лучей , для которого необходимы данные рассеяния рентгеновских лучей при высоких энергиях. ^[14]

Настраивая 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 вклады рассеяния от конкретных элементов в образце. ^{[ нужна цитата ]}

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

Спектроскопия

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) используется для изучения координационной структуры атомов в материалах и молекулах. Энергия синхротронного пучка настраивается по краю поглощения интересующего элемента и измеряются модуляции поглощения. Фотоэлектронные переходы вызывают модуляции вблизи края поглощения, и анализ этих модуляций (называемый « прикраевой структурой рентгеновского поглощения» (XANES) или « прикраевой тонкой структурой рентгеновского поглощения» (NEXAFS)) позволяет получить информацию о химическом состоянии и локальных симметрия этого элемента. При энергиях падающего пучка, которые намного превышают край поглощения, рассеяние фотоэлектронов вызывает «звенящие» модуляции, называемые расширенной тонкой структурой поглощения рентгеновских лучей (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 частиц, таких как примеси. Связанный с этим метод, рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD), использует рентгеновские лучи с круговой поляризацией для измерения магнитных свойств элемента. ^{[ нужна цитата ]}

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) может выполняться на каналах, оборудованных фотоэлектронным анализатором . Традиционный XPS обычно ограничивается исследованием нескольких верхних нанометров материала в вакууме. Однако высокая интенсивность синхротронного света позволяет проводить РФЭС-измерения поверхностей при давлениях газа, близких к атмосферному. XPS при атмосферном давлении (AP-XPS) может использоваться для измерения химических явлений в моделируемых каталитических или жидких условиях. ^[16] Использование фотонов высокой энергии 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 синхротронного XPS может быть увеличена до нескольких нанометров, что позволяет изучать скрытые интерфейсы. Этот метод называется рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопией высоких энергий (HAXPES). ^[17] Кроме того, настраиваемая природа энергий синхротронных рентгеновских фотонов обеспечивает широкий диапазон чувствительности по глубине порядка 2-50 нм. ^[18] Это позволяет исследовать образцы на большей глубине и проводить неразрушающие эксперименты по профилированию глубины.

Состав материала можно количественно проанализировать с помощью рентгеновской флуоресценции (РФА). РФА-обнаружение также используется в ряде других методов, таких как XAS и XSW, в которых необходимо измерить изменение поглощения определенного элемента. ^{[ нужна цитата ]}

Другие методы спектроскопии включают фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), эмиссионную спектроскопию мягкого рентгеновского излучения и колебательную спектроскопию ядерного резонанса , которая связана с мессбауэровской спектроскопией . ^{[ нужна цитата ]}

Визуализация

Линия рентгеновского нанозонда в усовершенствованном источнике фотонов

Синхротронное рентгеновское излучение может использоваться для традиционной рентгеновской визуализации , фазово-контрастной рентгеновской визуализации и томографии . Длина волны рентгеновских лучей в масштабе Ангстрема позволяет получать изображения значительно ниже дифракционного предела видимого света, но практически наименьшее достигнутое на сегодняшний день разрешение составляет около 30 нм. ^[19] Такие источники нанозондов используются для сканирующей просвечивающей рентгеновской микроскопии (СТХМ). Визуализацию можно комбинировать со спектроскопией, такой как рентгеновская флуоресценция или рентгеновская абсорбционная спектроскопия, чтобы составить карту химического состава или степени окисления образца с субмикронным разрешением. ^[20]

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

Подобную оптику можно использовать для фотолитографии , поскольку структуры МЭМС могут использовать синхротронный луч как часть процесса LIGA . ^{[ нужна цитата ]}

Компактные источники синхротронного света

Из-за полезности перестраиваемого коллимированного когерентного рентгеновского излучения были предприняты усилия по созданию более мелких и более экономичных источников света, производимого синхротронами. Цель состоит в том, чтобы сделать такие источники доступными в исследовательских лабораториях по соображениям стоимости и удобства; в настоящее время исследователям приходится ездить на объект для проведения экспериментов. Одним из методов создания компактного источника света является использование энергетического сдвига комптоновского рассеяния ближневидимых 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 сечение столкновения, а частота повторения лазеров ограничивается несколькими герцами, а не частотой повторения мегагерц, естественно возникающей при нормальном излучении накопителя. Другой метод - использовать плазменное ускорение, чтобы уменьшить расстояние, необходимое для ускорения электронов из состояния покоя до энергии, необходимой для УФ- или рентгеновского излучения в магнитных устройствах. ^{[ нужна цитата ]}

Смотрите также

• Список объектов синхротронного излучения
• Список источников света

Рекомендации

1. Справочник по синхротронному излучению , том 1a, Эрнст-Экхард Кох, редактор, Северная Голландия, 1983, перепечатано в «Синхротронное излучение превращает большую пятерку-0». Архивировано 16 сентября 2008 г., в Wayback Machine.
2. Миллс, DM; Хелливелл, младший; Квик, О.; Охта, Т.; Робинсон, Айова; Отье, А. (1 мая 2005 г.). «Отчет Рабочей группы по номенклатуре синхротронного излучения - яркость, спектральная яркость или яркость?». Журнал синхротронного излучения . 12 (3): 385. дои : 10.1107/S090904950500796X . ПМИД  15840926 . Проверено 8 апреля 2022 г.
3. Нильсен, Йенс (2011). Элементы современной рентгеновской физики . Чичестер, Западный Суссекс: Джон Уайли. ISBN 9781119970156.
4. Видеманн, Хельмут (2007). Физика ускорителей частиц (3-е изд.). Берлин: Шпрингер. п. 782. ИСБН 9783540490432.
5. Э. М. Роу и Ф. Е. Миллс, Тантал I: специальный источник синхротронного излучения с накопительным кольцом, Ускорители частиц, Том. 4 (1973); страницы 211-227.
6. А.А. Соколов; И. М. Тернов (1986). CW Килмистер (ред.). Излучение релятивистских электронов . Серия переводов. Нью-Йорк: Американский институт физики. ISBN 978-0-88318-507-0.
7. Физика электронных накопителей: введение Мэтта Сэндса. Архивировано 11 мая 2015 г. в Wayback Machine.
8. Нельсон, Джоанна; Мисра, Сумохан; Ян, Юань; Джексон, Ариэль; Лю, Ицзинь; и другие. (30 марта 2012 г.). «В операндо рентгеновской дифракции и трансмиссионной рентгеновской микроскопии литий-серных батарей». Журнал Американского химического общества . 134 (14): 6337–6343. дои : 10.1021/ja2121926. ПМИД  22432568.
9. Бан, Н.; Ниссен, П.; Хансен, Дж.; Мур, П.; Стейц, Т. (11 августа 2000 г.). «Полная атомная структура большой рибосомальной субъединицы с разрешением 2,4 Å». Наука . 289 (5481): 905–920. Бибкод : 2000Sci...289..905B. дои : 10.1126/science.289.5481.905. ПМИД  10937989.
10. Шведская королевская академия наук, «Нобелевская премия по химии 2009 г.: информация для общественности», по состоянию на 20 июня 2016 г.
11. Рено, Жиль; Лаццари, Реми; Лерой, Фредерик (2009). «Изучение морфологии поверхности и интерфейса с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния скользящего падения». Отчеты о поверхностной науке . 64 (8): 255–380. Бибкод : 2009SurSR..64..255R. doi : 10.1016/j.surfrep.2009.07.002.
12. Робинсон, Индиана; Твит, диджей (1 мая 1992 г.). «Поверхностная рентгеновская дифракция». Отчеты о прогрессе в физике . 55 (5): 599–651. Бибкод :1992РПФ...55..599Р. дои : 10.1088/0034-4885/55/5/002. S2CID  250899816.
13. Головченко, Ю.А.; Патель, младший; Каплан, Д.Р.; Коуэн, Польша; Бедзик, МЮ (23 августа 1982 г.). «Решение проблемы регистрации поверхности с использованием стоячих рентгеновских волн» (PDF) . Письма о физических отзывах . 49 (8): 560–563. Бибкод : 1982PhRvL..49..560G. doi : 10.1103/physrevlett.49.560.
14. Т. Эгами, С. Дж. Л. Биллинге, «Под пиками Брэгга: структурный анализ сложных материалов», Пергамон (2003)
15. Сэйерс, Дейл Э.; Стерн, Эдвард А.; Литл, Фаррел В. (1 ноября 1971 г.). «Новый метод исследования некристаллических структур: Фурье-анализ расширенной рентгеновско-абсорбционной тонкой структуры». Письма о физических отзывах . 27 (18): 1204–1207. Бибкод : 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. S2CID  55577979.
17. Синг, М.; Бернер, Г.; Госс, К.; Мюллер, А.; Рафф, А.; Ветшерек, А.; Тиль, С.; Маннхарт, Дж.; Паули, ЮАР; Шнайдер, CW; Уиллмотт, PR; Горгой, М.; Шеферс, Ф.; Классен, Р. (30 апреля 2009 г.). «Профилирование межфазного электронного газа гетероструктур LaAlO ₃ /SrTiO ₃ с помощью жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии». Письма о физических отзывах . 102 (17): 176805. arXiv : 0809.1917 . Бибкод : 2009PhRvL.102q6805S. doi : 10.1103/physrevlett.102.176805. PMID  19518810. S2CID  43739895.
18. Гун, Чжэнлян; Ян, Ён (2018). «Применение синхротронных рентгеновских методов для исследования аккумуляторных батарей». Журнал энергетической химии . 27 (6): 1566–1583. doi :10.1016/j.jechem.2018.03.020. S2CID  104038441.
19. Аргоннский национальный лабораторный центр наноразмерных материалов, «Возможности рентгеновской микроскопии», по состоянию на 20 июня 2016 г.
20. Бил, Эндрю М.; Жак, Саймон DM; Векхейзен, Берт М. (2010). «Химическая визуализация каталитических твердых веществ синхротронным излучением». Обзоры химического общества . 39 (12): 4656–4672. дои : 10.1039/c0cs00089b. hdl : 1874/290865 . ПМИД  20978688.
21. «Миниатюрный синхротрон дает первый свет» . Eurekalert.org . Проверено 19 октября 2009 г.

Внешние ссылки

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