Synchrotron lyskilde - Synchrotron light source

Denne artikkelen handler om laboratorieproduksjon og anvendelse av synkrotronstråling . For detaljer om emisjonsfysikk og egenskaper, se synkrotronstråling .
Synchrotron-stråling som reflekteres fra en terbiumkrystall ved Daresbury Synchrotron Radiation Source , 1990

En synkrotronlyskilde er en kilde til elektromagnetisk stråling (EM) som vanligvis produseres av en lagringsring , for vitenskapelige og tekniske formål. Synkrotronlys blir først observert i synkrotroner , og produseres nå av lagringsringer og andre spesialiserte partikkelakseleratorer , vanligvis akselererende elektroner . Når høyenergi-elektronstråle har blitt generert, blir den ført inn i hjelpekomponenter så som avbøyningsmagneter og innføringsanordningen ( undulators eller wigglers ) i lagerringene og frie elektron laser . Disse forsyner de sterke magnetiske feltene vinkelrett på strålen som er nødvendige for å konvertere elektroner med høy energi til fotoner .

De viktigste anvendelsene av synkrotronlys er innen kondensert materiellfysikk , materialvitenskap , biologi og medisin . En stor brøkdel av eksperimenter som bruker synkrotronlys involverer å undersøke materiens struktur fra subnanometernivået til den elektroniske strukturen til mikrometer- og millimeternivået som er viktig for medisinsk bildebehandling . Et eksempel på en praktisk industriell anvendelse er produksjon av mikrostrukturer ved LIGA- prosessen.

Strålende

Når man sammenligner røntgenkilder, kalles et viktig mål på kvaliteten på kilden glans . Brilliance tar hensyn til:

  1. Antall fotoner produsert per sekund
  2. Fotonens vinkelavvik, eller hvor raskt strålen sprer seg
  3. Tverrsnittet av bjelken
  4. Fotonene som faller innenfor en båndbredde (BW) på 0,1% av den sentrale bølgelengden eller frekvensen

Den resulterende formelen er:

Jo større glans, jo flere fotoner av en gitt bølgelengde og retning er konsentrert på et sted per tidsenhet.

Lysstyrke, intensitet og annen terminologi

Ulike vitenskapsområder har ofte forskjellige måter å definere begreper på. I området med røntgenstråler betyr flere termer nøyaktig det samme som glans.

Noen forfattere bruker begrepet lysstyrke , som en gang ble brukt til å bety fotometrisk luminans , eller ble brukt (feil) for å bety radiometrisk stråling .

Intensitet betyr effekttetthet per enhet, men for røntgenkilder betyr det vanligvis glans.

Den riktige betydningen kan bestemmes ved å se på enhetene som er gitt. Strålende handler om konsentrasjonen av fotoner, ikke kraft. Enhetene må ta hensyn til alle fire faktorene som er oppført i avsnittet ovenfor.

Resten av denne artikkelen bruker begrepene glans og intensitet for å bety det samme.

Kildens egenskaper

Spesielt når kunstig produsert, er synkrotronstråling kjent for sin:

  • Høy glans, mange størrelsesordener mer enn med røntgenstråler produsert i konvensjonelle røntgenrør: 3. generasjons kilder har vanligvis en glans større enn 10 18 fotoner · s −1 · mm −2 · mrad −2 /0.1%BW, hvor 0,1% BW betegner en båndbredde 10 −3 w sentrert rundt frekvensen w .
  • Høyt nivå av polarisering (lineær, elliptisk eller sirkulær)
  • Høy kollimasjon, dvs. liten vinkeldivergens av bjelken
  • Lav emittanse, dvs. produktet av kildetverrsnitt og solid utslippsvinkel er liten
  • Bred avstemming i energi / bølgelengde ved monokromatisering (underelektronvolt opp til megaelektronvoltområdet )
  • Pulset lysemisjon (pulsvarigheter på eller under ett nanosekund , eller en milliondels sekund).

Synkrotronstråling fra akseleratorer

Synkrotronstråling kan forekomme i akseleratorer enten som en plage, forårsaker uønsket energitap i partikkelfysikk- sammenhenger, eller som en bevisst produsert strålekilde for mange laboratorieapplikasjoner. Elektroner akselereres til høye hastigheter i flere trinn for å oppnå en endelig energi som vanligvis er i gigaelektronvoltsområdet. Elektronene blir tvunget til å bevege seg i en lukket bane av sterke magnetfelt. Dette ligner på en radioantenne, men med den forskjellen at den relativistiske hastigheten endrer den observerte frekvensen på grunn av Doppler-effekten med en faktor . Relativistisk Lorentz-sammentrekning støter frekvensen med en annen faktor på , og multipliserer dermed gigahertz-frekvensen til resonanshulen som akselererer elektronene i røntgenområdet. En annen dramatisk effekt av relativitet er at strålingsmønsteret er forvrengt fra det isotrope dipolmønsteret som forventes fra ikke-relativistisk teori til en ekstremt fremadrettet kjegle av stråling. Dette gjør synkrotronstrålingskilder til de mest strålende kjente røntgenstrålene. Den plane akselerasjonsgeometrien gjør strålingen lineær polarisert når den observeres i baneplanet, og sirkulær polarisert når den observeres i en liten vinkel mot det planet.

Fordelene med å bruke synkrotronstråling til spektroskopi og diffraksjon har blitt realisert av et stadig voksende vitenskapelig samfunn, som begynte på 1960- og 1970-tallet. I begynnelsen ble det produsert akseleratorer for partikkelfysikk, og synkrotronstråling ble brukt i "parasittisk modus" når bøyningsmagnetstråling måtte ekstraheres ved å bore ekstra hull i bjelkerørene. Den første lagringsringen som ble bestilt som en synkrotronlyskilde var Tantalus, ved Synchrotron Radiation Center , som først var i drift i 1968. Da akseleratorens synkrotronstråling ble mer intens og applikasjonene mer lovende, ble enheter som forbedret intensiteten av synkrotronstråling innebygd i eksisterende ringer . Tredje generasjons synkrotronstrålingskilder ble unnfanget og optimalisert fra begynnelsen for å produsere strålende røntgenstråler. Fjerde generasjons kilder som vil inkludere forskjellige konsepter for å produsere ultrabriljante, pulserte tidsstrukturerte røntgenbilder for ekstremt krevende og sannsynligvis ennå ikke tenkte eksperimenter er under vurdering.

Bøyende elektromagneter i akseleratorer ble først brukt til å generere denne strålingen, men for å generere sterkere stråling brukes andre spesialiserte enheter - innsettingsenheter - noen ganger. Nåværende (tredje generasjon) synkrotronstrålingskilder er vanligvis avhengige av disse innsettingsenhetene, der rette seksjoner av lagringsringen inneholder periodiske magnetiske strukturer (som består av mange magneter i et mønster av alternerende N- og S-poler - se diagram ovenfor) som tvinger elektronene inn i en sinusformet eller spiralformet vei. Således, i stedet for en enkelt bøyning, legger mange titalls eller hundrevis av "wiggles" i nøyaktig beregnede posisjoner opp eller multipliserer den totale intensiteten til strålen.

Disse enhetene kalles wigglers eller undulators . Hovedforskjellen mellom en undulator og en wiggler er intensiteten til magnetfeltet deres og amplituden til avviket fra den rette linjebanen til elektronene.

Det er åpninger i lagringsringen for å la strålingen gå ut og følge en strålelinje inn i eksperimentatorens vakuumkammer. Et stort antall slike strålelinjer kan dukke opp fra moderne tredjegenerasjons synkrotronstrålingskilder.

Lagringsringer

Elektronene kan ekstraheres fra selve akseleratoren og lagres i en ultrahøy vakuum hjelpemagnetisk lagringsring der de kan sirkle et stort antall ganger. Magnetene i ringen må også gjentatte ganger komprimere strålen mot Coulomb ( romladning ) krefter som har en tendens til å forstyrre elektronbuntene. Retningsendring er en form for akselerasjon og dermed avgir elektronene stråling ved GeV-energier.

Anvendelser av synkrotronstråling

Beamlines

Beamlines of Soleil

På et synkrotronanlegg akselereres elektroner vanligvis av en synkrotron , og injiseres deretter i en lagringsring , der de sirkulerer og produserer synkrotronstråling, men uten å få ytterligere energi. Strålingen projiseres med en tangens til elektronlagringsringen og fanges opp av strålelinjer . Disse strålelinjene kan stamme fra bøyemagneter som markerer hjørnene på lagringsringen; eller innføringsinnretninger , som er plassert i de rette delene av lagringsringen. Spekteret og energien til røntgenstråler er forskjellige mellom de to typene. Strålelinjen inkluderer røntgenoptiske enheter som styrer båndbredde , fotonstrøm, stråledimensjoner, fokus og kollimering av strålene. Det optiske utstyret omfatter slisser, lyddempere, krystall monokromatorer og speil. Speilene kan være bøyd i kurver eller toroideformer for å fokusere bjelken. En høy fotonstrøm i et lite område er det vanligste kravet til en bjelkelinje. Utformingen av bjelkelinjen vil variere med applikasjonen. På slutten av strålelinjen er den eksperimentelle endestasjonen, der prøver plasseres i strålingslinjen, og detektorer er posisjonert for å måle den resulterende diffraksjon , spredning eller sekundær stråling.

Eksperimentelle teknikker og bruk

Synchrotron light er et ideelt verktøy for mange typer forskning innen materialvitenskap , fysikk og kjemi, og brukes av forskere fra akademiske, industrielle og offentlige laboratorier. Flere metoder benytter seg av høy intensitet, avstembar bølgelengde, kollimering og polarisering av synkrotronstråling ved strålelinjer som er designet for spesifikke typer eksperimenter. Den høye intensiteten og gjennomtrengende kraften til synkrotron røntgenstråler gjør det mulig å utføre eksperimenter inne i prøveceller designet for spesifikke miljøer. Prøver kan bli oppvarmet, avkjølt eller utsatt for gass-, væske- eller høytrykksmiljøer. Eksperimenter som bruker disse miljøene kalles in situ og tillater karakterisering av atom- til nano-skala fenomener som er utilgjengelige for de fleste andre karakteriseringsverktøy. I operando målinger er designet for å etterligne de virkelige arbeidsforholdene til et materiale så tett som mulig.

Diffraksjon og spredning

Røntgendiffraksjon (XRD) og spredningseksperimenter utføres på synkrotroner for strukturanalyse av krystallinske og amorfe materialer. Disse målingene kan utføres på pulver , enkeltkrystaller eller tynne filmer . Den høye oppløsningen og intensiteten til synkrotronstrålen gjør det mulig å måle spredning fra fortynnede faser eller analysere restspenning . Materialer kan studeres ved høyt trykk ved hjelp av diamantamboltceller for å simulere ekstreme geologiske miljøer eller for å skape eksotiske former for materie.

Struktur av en ribosomunderenhet løst ved høy oppløsning ved bruk av synkrotron røntgenkrystallografi.

Røntgenkrystallografi av proteiner og andre makromolekyler (PX eller MX) utføres rutinemessig. Synkrotronbaserte krystallografiske eksperimenter var integrert i å løse strukturen til ribosomet ; dette arbeidet oppnådde Nobelprisen i kjemi i 2009 .

Størrelsen og formen på nanopartikler kjennetegnes ved bruk av røntgenspredning med liten vinkel (SAXS). Nano-størrelse funksjoner på overflater måles med en lignende teknikk, beite-forekomst liten vinkel røntgenspredning (GISAXS). I denne og andre metoder oppnås overflatesensitivitet ved å plassere krystalloverflaten i en liten vinkel i forhold til den innfallende strålen, noe som oppnår total ytre refleksjon og minimerer røntgeninntrengningen i materialet.

Atom- til nano-skala detaljer av overflater , grensesnitt og tynne filmer kan karakteriseres ved hjelp av teknikker som røntgenreflektivitet (XRR) og krystallavkortingsstang (CTR) analyse. Målinger av røntgenstående bølger (XSW) kan også brukes til å måle atomenes posisjon på eller nær overflater; disse målingene krever optikk med høy oppløsning som er i stand til å løse dynamiske diffraksjonsfenomener .

Amorfe materialer, innbefattende væsker og smelter, så vel som krystallinske materialer med lokal forstyrrelse, kan undersøkes ved hjelp av røntgenstråle- par fordelingsfunksjonen analyse, noe som krever høy energi røntgenspredning data.

Ved å innstille stråleenergien gjennom absorpsjonskanten til et bestemt element av interesse, vil spredningen fra atomer til det elementet bli modifisert. Disse såkalte resonante anomale røntgenspredningsmetodene kan bidra til å løse spredningsbidrag fra spesifikke elementer i prøven.

Andre spredningsteknikker inkluderer energidispersiv røntgendiffraksjon , resonanselastisk røntgenstrålespredning og magnetisk spredning.

Spektroskopi

Røntgenabsorpsjonsspektroskopi (XAS) brukes til å studere koordineringsstrukturen til atomer i materialer og molekyler. Synkrotronstrålenergien er innstilt gjennom absorpsjonskanten til et element av interesse, og modulasjoner i absorpsjonen måles. Fotoelektronoverganger forårsaker modulasjoner nær absorpsjonskanten, og analyse av disse modulasjonene (kalt røntgenabsorpsjon nærkantstruktur (XANES) eller nærkant røntgenabsorpsjonsfin struktur (NEXAFS)) avslører informasjon om kjemisk tilstand og lokal symmetri av det elementet. Ved innfallende stråleenergier som er mye høyere enn absorpsjonskanten, forårsaker fotoelektronspredning "ringing" -modulasjoner kalt den utvidede røntgenabsorpsjons finstrukturen (EXAFS). Fourier-transformasjon av EXAFS-regimet gir bindingslengder og antall av det omkringliggende absorberende atomet; det er derfor nyttig for å studere væsker og amorfe materialer så vel som sparsomme arter som urenheter. En relatert teknikk, røntgen magnetisk sirkulær dikroisme (XMCD), bruker sirkulært polariserte røntgenstråler for å måle de magnetiske egenskapene til et element.

Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) kan utføres på strålelinjer utstyrt med en fotoelektronanalysator . Tradisjonell XPS er vanligvis begrenset til å avprøve de øverste par nanometer av et materiale under vakuum. Den høye intensiteten av synkrotronlys muliggjør imidlertid XPS-målinger av overflater ved nesten omgivelsestrykk av gass. Omgivelsestrykk XPS (AP-XPS) kan brukes til å måle kjemiske fenomener under simulerte katalytiske eller flytende forhold. Bruk av højenergifotoner gir fotoelektroner med høy kinetisk energi som har en mye lengre uelastisk gjennomsnittsfri vei enn de som genereres på et laboratorium XPS-instrument. Sondedybden til synkrotron XPS kan derfor forlenges til flere nanometer, slik at studiet av nedgravde grensesnitt kan studeres. Denne metoden er referert til som høynergisk røntgenfotoemisjonsspektroskopi (HAXPES).

Materiell sammensetning kan analyseres kvantitativt ved bruk av røntgenfluorescens (XRF). XRF-deteksjon brukes også i flere andre teknikker, som XAS og XSW, der det er nødvendig å måle endringen i absorpsjon av et bestemt element.

Andre spektroskopiteknikker inkluderer vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi (ARPES), myk røntgenemisjonsspektroskopi og kjerneresonansvibrasjonsspektroskopi , som er relatert til Mössbauer spektroskopi .

Imaging

X-ray nanoprobe beamline ved Advanced Photon Source

Synchrotron røntgen kan brukes til tradisjonell røntgenbilder , fasekontrast røntgenbilder og tomografi . Ångström-skala bølgelengde av røntgenstråler muliggjør avbildning langt under diffraksjonsgrensen for synlig lys, men praktisk talt den minste oppløsningen hittil oppnådd er omtrent 30 nm. Slike nanoprobe- kilder brukes til skanning av røntgenmikroskopi (STXM). Imaging kan kombineres med spektroskopi som røntgenfluorescens eller røntgenabsorpsjonsspektroskopi for å kartlegge en prøves kjemiske sammensetning eller oksidasjonstilstand med sub-micron oppløsning.

Andre bildebehandlingsteknikker inkluderer sammenhengende diffraksjon .

Lignende optikk kan brukes til fotolitografi for MEMS- strukturer kan bruke en synkrotronstråle som en del av LIGA- prosessen.

Kompakte synkrotronlyskilder

På grunn av nytten av innstillbar kollimert sammenhengende røntgenstråling er det blitt gjort forsøk på å lage mindre og mer økonomiske kilder til lyset produsert av synkrotroner. Målet er å gjøre slike kilder tilgjengelige i et forskningslaboratorium av kostnads- og bekvemmelighetsmessige årsaker; For øyeblikket må forskere reise til et anlegg for å utføre eksperimenter. En metode for å lage en kompakt lyskilde er å bruke energiforskyvningen fra Compton-spredning av nær synlige laserfotoner fra elektroner lagret ved relativt lave energier på titalls megaelektronvolter (se for eksempel Compact Light Source (CLS)). Imidlertid kan et relativt lavt tverrsnitt av kollisjon oppnås på denne måten, og repetisjonshastigheten til laserne er begrenset til noen få hertz i stedet for megahertz-repetisjonshastighetene som naturlig oppstår ved normal lagringsringemisjon. En annen metode er å bruke plasmaakselerasjon for å redusere avstanden som kreves for å akselerere elektroner fra hvile til energiene som kreves for UV- eller røntgenemisjon i magnetiske enheter.

Se også

Referanser

  1. ^ Håndbok om synkrotronstråling , bind 1a, Ernst-Eckhard Koch, red., Nord-Holland, 1983, trykt på " Synchrotron Radiation Turns the Big Five-O" Arkivert 16. september 2008 på Wayback Machine
  2. ^ Nielsen, Jens (2011). Elementer i moderne røntgenfysikk . Chichester, West Sussex: John Wiley. ISBN   9781119970156 .
  3. ^ EM Rowe og FE Mills, Tantalus I: A Dedicated Storage Ring Synchrotron Radiation Source, Particle Accelerators , Vol. 4 (1973); side 211-227.
  4. ^ AA Sokolov; IM Ternov (1986). CW Kilmister (red.). Stråling fra relativistiske elektroner . Oversettelseserie. New York: American Institute of Physics. ISBN   978-0-88318-507-0 .
  5. ^ The Physics of Electron Storage Rings: En introduksjon av Matt Sands Arkivert 2015-05-11 på Wayback Machine
  6. ^ Nelson, Johanna; Misra, Sumohan; Yang, Yuan; Jackson, Ariel; Liu, Yijin; et al. (2012-03-30). "I Operando X-ray Diffraction and Transmission X-ray Microscopy of Lithium Sulphur Batteries". Journal of the American Chemical Society . 134 (14): 6337–6343. doi : 10.1021 / ja2121926 . PMID   22432568 .
  7. ^ a b Ban, N .; Nissen, P .; Hansen, J .; Moore, P .; Steitz, T. (2000-08-11). "The Complete Atomic Structure of the Large Ribosomal Subunit at 2.4 Å Resolution". Vitenskap . 289 (5481): 905–920. Bibcode : 2000Sci ... 289..905B . doi : 10.1126 / science.289.5481.905 . PMID   10937989 .
  8. ^ Det kongelige svenske vitenskapsakademiet, "Nobelprisen i kjemi 2009: Informasjon for publikum" , åpnet 20.06.2016
  9. ^ Renaud, Gilles; Lazzari, Rémi; Leroy, Frédéric (2009). "Sonderende overflate og grensesnittmorfologi med beiteforekomst liten vinkel røntgenspredning". Surface Science Reports . 64 (8): 255–380. Bibcode : 2009SurSR..64..255R . doi : 10.1016 / j.surfrep.2009.07.002 .
  10. ^ Robinson, IK; Tweet, DJ (1992-05-01). "Surface X-ray diffraction". Rapporter om fremgang i fysikk . 55 (5): 599–651. Bibcode : 1992RPPh ... 55..599R . doi : 10.1088 / 0034-4885 / 55/5/002 .
  11. ^ Golovchenko, JA; Patel, JR; Kaplan, DR; Cowan, PL; Bedzyk, MJ (1982-08-23). "Løsning på overflateregistreringsproblemet ved bruk av røntgenstående bølger" (PDF) . Fysiske gjennomgangsbrev . 49 (8): 560–563. Bibcode : 1982PhRvL..49..560G . doi : 10.1103 / physrevlett.49.560 .
  12. ^ T. Egami, SJL Billinge, "Under the Bragg Peaks: Structural Analysis of Complex Materials", Pergamon (2003)
  13. ^ Sayers, Dale E .; Stern, Edward A .; Lytle, Farrel W. (1971-11-01). "Ny teknikk for undersøkelse av ikke-krystallinske strukturer: Fourier-analyse av utvidet røntgenstråling - absorpsjonsfin struktur". Fysiske gjennomgangsbrev . 27 (18): 1204–1207. Bibcode : 1971PhRvL..27.1204S . doi : 10.1103 / physrevlett.27.1204 .
  14. ^ Bluhm, Hendrik; Hävecker, Michael; Knop-Gericke, Axel; Kiskinova, Maya; Schlögl, Robert; Salmeron, Miquel (2007). "In Situ X-Ray Photoelectron Spectroscopy Studies of Gas-Solid Interfaces at Near-Ambient conditions" . FRU Bulletin . 32 (12): 1022–1030. doi : 10.1557 / mrs2007.211 .
  15. ^ Syng, 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). "Profilering av grensesnittets elektrongass av LaAlO 3 / SrTiO 3 Heterostrukturer med hard røntgenfotoelektronspektroskopi". Fysiske gjennomgangsbrev . 102 (17): 176805. arXiv : 0809.1917 . Bibcode : 2009PhRvL.102q6805S . doi : 10.1103 / physrevlett.102.176805 . PMID   19518810 . S2CID   43739895 .
  16. ^ Argonne National Laboratory Center for Nanoscale Materials, "X-Ray Microscopy Capabilities" , åpnet 2016-06-20
  17. ^ Beale, Andrew M .; Jacques, Simon DM; Weckhuysen, Bert M. (2010). "Kjemisk avbildning av katalytiske faste stoffer med synkrotronstråling". Chemical Society anmeldelser . 39 (12): 4656–4672. doi : 10.1039 / c0cs00089b . hdl : 1874/290865 . PMID   20978688 .
  18. ^ "Miniatyrsynkrotron produserer første lys" . Eurekalert.org . Hentet 2009-10-19 .

Eksterne linker