 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
|||||||||||
 |
 |
 |
 |
|
||||||||
 |
 |
|
||||||||||
 |
|
|||||||||||
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
|
||||
 |
|
|||||||||||
 |
|
|||||||||||
| XAS | ||||||
| Absorpcija rentgenske svetlobe |
||||||
 |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
| Izviri rentgenske svetlobe |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
| Rentgenska optika |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
SINHROTRON
Sinhrotron - izvor ultravijolične in rentgenske svetlobe
Sinhrotrone poznamo predvsem kot naprave, ki omogočajo pospeševanje elektronov do visokih energij. Visokoenergijski elektroni se nato uporabljajo pri različnih raziskavah - na primer študiju osnovnih delcev. Leta 1947. pa so na obodu sinhrotrona družbe General Electric v Schenectadyju, v ameriški zvezni državi New York, slučajno opazili svetlikanje, ki so ga po izvoru poimenovali sinhrotronska svetloba.
To svetlobo sevajo gruče elektronov, ki se gibljejo s skoraj svetlobno hitrostjo po krožnih tirih. V sinhrotronu usmerjajo elektrone v krožni tir odklonski dipolni magneti. V magnetnem polju teh magnetov elektroni sevajo v smeri svojega gibanja ozek curek elektromagnetnega valovanja. Pojav spominja na snop svetlobe iz žarometa avtomobila, ki vozi po krožnem dirkališču. Pri vsakem preletu odklonskega magneta izseva gruča elektronov le kratek svetlobni blisk, ker pa naredijo elektroni v sinhrotronu približno 1.000.000 obhodov na sekundo, si sledijo bliski iz posameznega odklonskega magneta v hitrem zaporedju.
Spekter sinhrotronske svetlobe je zvezen in se razteza od infrardeče svetlobe prek vidne in ultravijolične do rentgenske svetlobe. Snop svetlobe je ozek - dobro kolimiran in velike intenzitete, površina izvora - presek gruče elektronov - pa majhna, zato je svetlost izvora zelo velika. Prav takšne karakteristike pa so zaželene za izvor rentgenske in ultraviolične svetlobe, ki ga potrebujemo pri raziskavah snovi.
Klasični izvori UV in rentgenske svetlobe, to je razelektritvene cevi napolnjene z žlahtnim plinom in rentgenske cevi, lahko za razliko od sihrotrona proizvedejo svetlobo relativno velike intenzitete le pri nekaterih karakterističnih valovnih dolžinah, povrhu pa je svetloba iz teh izvorov še razpršena v širok prostorski kot. Sinhrotron presega klasične izvore ultravijolične in rentgenske svetlobe po svetlosti za šest in več redov velikosti.
Raziskave s sinhrotronsko svetlobo
Tako kot je vidna svetloba nepogrešljiva pri opazovanju makroskopske zgradbe sveta, je ultraviolična in rentgenska svetloba enkratno orodje za raziskovnje njegove mikroskopske strukture. Valovna dolžina svetlobe v ultravijoličnem delu spektra je primerljiva z velikostjo bioloških molekul, kot npr. proteinov, v rentgenskem področju pa z velikostjo posameznih atomov. Energije fotonov s temi valovnimi dolžinami pa so primerljive z vezavnimi energijami elektronov v atomih. Zaradi tega je s to svetlobo mogoče preiskovati geometrijsko strukturo snovi, pa tudi njeno elektronsko zgradbo. Ugotoviti je mogoče lege in ureditev atomov v kristalih in amorfnih snoveh, pa tudi v posameznih molekulah, in izmeriti energijska stanja elektronov v njih ter s tem določiti kemijske vezi med atomi.
Poznavanje geometrijske in elektronske zgradbe snovi predstavlja temelj za razumevanje njenih fizikalnih in kemičnih lastnosti, to pa ne prispeva le k napredku znanosti, temveč ima tudi neposredno praktično uporabo na primer pri razvoju in izdelavi novih materialov z želenimi lastnostmi. Veliko takih materijalov je že v vsakdanji rabi ali pa so nepogrešljivi v industriji: lahke umetne mase z veliko mehansko trdnostjo, polprevodniki, toplotni izolatorji, katalizatorji itd. V zadnjem času so zelo obetavne tudi raziskave na področju visokotemperaturnih supraprevodnikov.
Izjemne lastnosti sinhrotronske svetlobe: velika intenziteta, dobra kolimiranost in možnost izbire valovne dolžine svetlobe, omogočajo
raziskave, ki so s svetlobo iz klasičnih izvorov neizvedljive. Velika intenziteta sinhrotronske svetlobe dovoljuje bistveno krajši čas merjenja, zato je mogoče študirati dinamiko nekaterih fizikalnih in kemičnih procesov, opraviti meritve na neobstojnih vzorcih in ne nazadnje drastično skrajšati čas potreben za sicer dolgotrajne meritve. Druga možnost, ki jo odpira velika intenziteta, so meritve na vzorcih, ki so sestavljeni iz majhnega števila atomov. Določiti je mogoče na primer zgradbo drobnih kristalov ali razmestitev atomov, adsorbiranih na površini snovi. Zaradi naravne kolimiranosti sinhrotronske svetlobe je mogoče svetlobni snop zbrati na površino 1 milijoninke mm
in tako podrobno otipati strukturo vzorca. Sinhrotronska svetloba omogoča tudi proizvodnjo elektronskih vezji in miniaturnih mehanskih naprav, katerih dimenzije ne presegajo nekaj tisočink milimetra.
S sinhrotronsko svetlobo preiskujejo trdne snovi, tekočine in pline, površine in biološke vzorce. Uporabljajo jo pri osnovnih raziskavah v
fiziki, kemiji, biologiji, medicini, metalurgiji, farmaciji, vedi o materialih, ter pri številnih industrijskih raziskavah in celo v proizvodnih postopkih. Na seznamu industrijskih družb, ki pri svojih raziskovalnih programih v ZDA uporabljajo sinhrotronsko svetlobo, najdemo med drugimi: AT\&T, Boeing, Chevron, Kodak, EPRI, IBM, Intel, Lockheed, Martin Marietta, Xerox, kar po svoje ilustrira raznolikost aplikacij.
Sinhrotron Elettra
Pri Trstu, v neposredni bližini Bazovice in italijansko-slovenske meje, deluje sinhrotron Elettra, ki sodi v svetu med najsvetleše izvore ultravijolične in mehke rentgenske svetlobe. Sinhrotron predstavlja osrednji del znanstvenega centra za raziskave v biologiji, kemiji, medicini, fiziki materialov in površin, in še na nekaterih drugih znanstvenih in tehničnih področjih.
Sinhrotron Elettra je krožni pospeševalnik za elektrone, projektiran izključno kot izvor sinhrotronske svetlobe. Njegov bistveni sestavni del je shranjevalni obroč obsega 260 m, po katerem bodo krožili elektroni z energijo 1.5 GeV. To energijo dobi elektron, ko prepotuje napetost 1.500.000.000 voltov. Osnovna parametra, energija elektronov in radij shranjevalnega obroča sta izbrana tako, da je svetlost Elettre največja v področju od ultraviolične svetlobe in mehkih rentgenskih žarkov. Konstrukcija je optimizirana za maksimalno svetlost izvorov sinhrotronskega sevanja, kar zahteva čim manjši presek elektronskega curka in čim manjšo razpršenost elektronov v curku po smeri.
V shranjevalnem obroču Elettre je 24 odklonskih magnetov. Vsak drugi je uporabljen za izvor svetlobe. Odklonski magnet ni optimalen izvor sinhrotronske svetlobe, saj je njegova primarna funkcija usmerjanje elektronov v krožni tir. Po karakteristikah jih zato daleč presegajo posebni svetlobni izvori - wigglerji in undulatorji, ki služijo izključno proizvodnji sinhrotronske svetlobe. Pri konstrukciji Elettre so tem izvorom zato namenili veliko pozornost: v shranjevalnem obroču je zanje na razpolago enajst lokacij.
Wigglerji in undulatorji so zgrajeni iz dveh nasproti si stoječih vrst magnetnih dipolov z izmenično polariteto, ki ustvarjajo periodično magnetno polje pravokotno na tir elektronskega žarka. Zaradi periodičnega magnetnega polja tir elektronov ni več raven, temveč valovit. Elektroni se torej gibljejo pospešeno in zato sevajo. Gostota magnetnega polja v wigglerjih je večja kot v odklonskih magnetih. Spekter izsevanega valovanja je zato pomaknjen k višjim energijam. Wiggler je zato uporaben predvsem kot izvor trdih rentgenskih žarkov. Proporcionalno s številom magnetnih polov v wigglerju (30 in več) se poveča tudi svetlost izvora. Na Elettri sta predvidena dva wigglerja. V undulatorjih je magnetno polje šibkejše kot v wigglerjih, tako da so undulatorji izvori ultravijolične in mehke rentgenske svetlobe. Za razliko od wigglerjev pa undulatorji izkoriščajo interferenco med žarki, ki jih posamezni elektron izseva na različnih delih poti, s čimer se poveča svetlost izvora tudi za dva reda velikosti v primerjavi z wigglerjem. Svetlost undulatorjev Elettre bo v tem območju za 100 do 1000 krat večja od najsvetlejših sedaj obstoječih sinhrotronskih izvorov.
Nobelovec Carlo Rubbia, predsednik družbe Sincrotrone Trieste, je označil projekt takole: ''Elettra ni razvojna stopnja na področju sinhrotronskega sevanja, temveč revolucionarni korak naprej, saj dviga svetlost izvorov do nedoseženih nivojev in odpira vrata povsem novim aplikacijam.''
Sinhrotronska svetloba je od shranjevalnega obroča speljana do eksperimentalnih postaj, kjer potekajo meritve, po žarkovnih linijah. Konstrukcija in izgradnja posamezne žarkovne linije je relativno zahteven samostojen projekt, podrobna izvedba pa je odvisna od eksperimetov, ki jim je namenjena. Na Elettri je zgrajenih več žarkovnih linij, ki so specializirane za naslednja področja: kemijsko analizo s fotoelektronsko spektroskopijo, spektro-mikroskopijo (2 liniji), UV fotoemisijo, površinsko difrakcijo, kristalografijo, sipanje rentgenskih žarkov pod majhnimi koti, rentgensko absorpcijsko spektrometrijo, fotoemisijo na plinastih vzrocih in drugo.
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
