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)

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: Parametr ten z reguły wynosi ok. 0.1 miliradiana.

Efekt Dopplera Dla ciał zbliżających się (do nas):

Efekt Dopplera – c.d.

Efekt Dopplera – c.d. W pierwszym przypadku odległość wysyłanych fali: Czyli obserwator zobaczy: W drugim (ogólniejszym przypadku): To można rozpisać jako (ponieważ β i cosα są bliskie jedności):

Częstotliwość Przejście z A do C: Ale obserwator obserwuje czas skrócony γ2 krótszy, zatem ostatecznie rząd wielkości dla częstotliwości promieniowania:

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:

Wigglery (wigglers) poprawa intensywności promieniowania o czynnik 2N (N – liczba okresów) wypromieniowana moc: długość L ok. 1m intensywności są dodawane

Ondulatory (undulators) promieniowanie z jednej oscylacji jest w fazie z następnymi oscylacjami amplitudy są najpierw dodawane, suma jest podniesiona do kwadratu  intensywność amplitudy skalowalne przez γ-1 sumowanie amplitud obowiązuje dla jednej określonej dł. Fali  promieniowanie (prawie) monochroma- tyczne

Współczynnik K dla wigglerów wynosi ok.20-50 (tylko w płaszczyźnie poziomej) dla ondulatorów wynosi ok. 1. W konsekwencji kąt otwarcia jest skompresowany o czynnik . N wynosi z reguły ok. 50.

Podstawowa dł. fali – λ1 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 Długość impulsu: 1μs lub 1ns

ESRF - Booster

ESRF - Booster Repetition Rate 10 Hz Energy 6 GeV Circumference 300 m

ERSF – Storage Ring obwód: 844.4 m zadaniem jest utrzymać energię 6 GeV uzyskanych w boosterze 64 magnesy zakrzywiające 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: 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).

współczynnik absorpcji μ(E) EXAFS Transmisja: współczynnik absorpcji μ(E)

EXAFS Całkowity współczynnik absorpcji powyżej krawędzi można zapisać: gdzie: i k jest liczbą falową elektronu. Można uznać, że:

EXAFS Funkcję χ(k) można przedstawić następująco: 2kRj – odzwierciedla faz padającego i rozproszonego el. - przesunięcie fazowe – konsekwencja potencjału atomu centralnego i atomu rozpraszającego falę el.

EXAFS