Sünkrotronkiirgus (sünkrotronvalgus): definitsioon, toimimine ja rakendused

Avasta sünkrotronkiirguse ja -valguse definitsioon, toimimine ning rakendused meditsiinis, materjaliteaduses ja tööstuses — loe põhjalik juhend nüüd.

Sünkrotronvalgusallikas on sünkrotroni poolt toodetud elektromagnetilise kiirguse allikas. Sellist kiirgust toodetakse teadus- ja tööstusotstarbel kunstlikult spetsiaalsete osakeste kiirendite abil, tavaliselt elektrone kiirendades. Kui suure energiaga elektronid on genereeritud, suunatakse need ring- või salvestusrõngastesse ning neid mööda juhitakse läbi abikomponentide nagu painutusmagnetid ning sisestusseadmed — näiteks undulaatorid või vingerdajad). Need komponendid loovad tugevaid magnetvälju, mis panevad kõrge energiaga elektronid kõverjooneliselt liikuma; selle käigus muudetakse osakeste kineetiline energia osaliselt elektromagnetiliseks kiirguseks ehk valguseks või muudeks kiirguse vormideks.

Kuidas sünkrotronkiirgus tekib?

Sünkrotronkiirgus tekib siis, kui kiirendatud laetud osakesed (tavaliselt elektronid) muudetakse suuna tõttu kõverjooneliseks liikumiseks magnetvälja mõjul. Kiirguse spekter on lai — see hõlmab raadiolaineid, infrapuna-, nähtavat ja ultraviolett-, röntgen- ning mõnel juhul isegi kõrgema energia valdkondi. Sünkrotronkiirgusel on mitu olulist omadust: kõrge heleduse (brilliance) tase, kitsas kiirgusnurk, laiaenergiline spekter ja võimalik polarisatsioon ning osaline koherentne karakter, eriti vabaelektronilaserite (FEL) korral.

Sünkrotroni tüüpilised komponendid ja tööpõhimõte

Elektronid kiirendatakse tavaliselt järk-järgult eelkiirenditest lõppenergia saavutamiseni (mida väljendatakse sageli MeV–GeV vahemikus). Seejärel jäetakse elektronid ringrada mööda tihti kõrge vaakumi tingimustes jooksma. Peamised komponendid on:

• Painutusmagnetid — muudavad elektronide trajektoori ja on peamine röntgenkiirguse allikas klassikalistes sünkrotronites.
• Undulaatorid ja vingerdajad — periodilised magnetstruktuurid, mis tekitavad tugevalt koherentset ja intensiivset kiirgust konkreetsetes lainepikkustes; undulaatorid annavad sageli väga kitsas spektriga ja suure heledusega kiirgust.
• Vabaelektronilaserid (FEL) — eriliik, kus vabad elektronid läbivad pikad undulaatorid ja genereerivad väga lühikesi (fs) ja äärmiselt intensiivseid koherentsed röntgenpulsse.

Elektronite ja prootonite sünkrotronid — erinevused

Elektronid loovad sama energiataseme juures palju tugevamat sünkrotronkiirgust kui prootonid, kuna kiirgusvõimsus sõltub osakese massist ja kiirusest. Seetõttu kasutatakseki sünkrotronvalguse tootmiseks peamiselt elektrone. Prootonid ja muud raskeosakesed tekitavad küll sünkrotronkiirgust, kuid palju nõrgema intensiivsusega; siiski võivad suure energiaga prootonkiirguse ja kiirgusinteraktsiooni tagajärjel tekkida kõrvalnähtused nagu toru seinte fotoemissioonist ja sekundaarelektronite tekkest põhjustatud elektronpilved, mis võivad mõnedes kiirendites olla probleemiks.

Peamised omadused

• Kõrge heleduse tase — võimaldab mõõtmisi väikeste ruumiliste mõõtmete ning nõrgalt koondunud signaalide korral.
• Lai spektriline katvus — sama allikas katab mitmeid lainepikkusi raadiost kuni röntgenini.
• Kontrollitav polarisatsioon — mõnes katsealuses on võimalik kiirgust genereerida eelistatud polarisatsiooniga.
• Võimalus lühikeste pulsisignaalide jaoks — FEL-id annavad femtosekundilise ajaruumilise lahutuse, sobides kiirete protsesside jälgimiseks.

Rakendused

Sünkrotronvalguse peamised rakendusvaldkonnad on laiad ja interdistsiplinaarsed. Olulisimad näited:

• Kondenseeritud aine füüsika — elektronistriuktuuri, magnetiliste omaduste ja faasimuutuste uurimine.
• Materjaliteadus — nanostruktuuride, komposiitide, pindade ja sisestruktuuride analüüs.
• Bioloogia — valkude ja makromolekulide kristallograafia, struktuuribioloogia ning raku- ja kudedepõhised uuringud.
• Meditsiin — täpsemad pildistamistehnikad, kontrastained ja kliinilised uuringud; samuti kiirguse mõistmine \u2014 näiteks röntgenuuringute parandamine.
• Hõlmab ka mikrotomograafiat, mikroskoopiat, spektroskoopiat (XPS, XAS), omaduskaardistamist ning in situ/operando eksperimente, kus jälgitakse materjali muutusi reaalajas.
• Industriaalsed rakendused: mikrostruktuuride tootmine ja täppismetallurgia, sh LIGA-protsess (litograafia, galvaaniline katmine ja vormimine) mikroosade tootmiseks.
• Kultuuripärandi uurimine, keskkonnauuringud ja farmaatsiauuringud \u2014 sünkrotronvalgus võimaldab mitte-destruktiivset ja väga detaile väljatoovat analüüsi.

Praktiline korraldus

Sünkrotronite juures on tavaliselt mitu tööjaama ehk beamline\u2019i, kus igaüks on optimeeritud kindla tüüpi mõõtmisteks (difraktsioon, spektroskoopia, tomograafia jms). Kasutajad (teadlased, tööstusgrupid) esitlevad projekte ja pääsevad katsetele riikliku või rahvusvahelise taotlusprotsessi kaudu.

Ohutus ja keskkond

Sünkrotronite töö nõuab rangeid ohutus- ja kiirguskaitsenõudeid: kiirgusallikate kontroll, sünkrotronite vaakumisüsteemid ning beamline\u2019ide kaitseseadmed tagavad, et töötajad ja külastajad ei puutu ohtlikku kiirgusse. Samuti pööratakse tähelepanu energiaefektiivsusele ja varustuse hooldusele.

Kokkuvõtlikult on sünkrotronvalgus võimas ja paindlik teaduslik tööriist, mis pakub unikaalseid võimalusi aine omaduste uurimiseks eri ruumiskaaladel ja ajaskaala resolutsioonidel. See on asendamatu nii põhiuuringutes kui ka rakendusuuringutes ning tööstuslikes protsessides.

Sünkrotronkiirgus võib esineda kiirendites kas häirivana osakestefüüsika eksperimentides või tahtlikult paljude laboratoorsete kasutusviiside puhul. Elektronid kiirendatakse mitmes etapis suurele kiirusele, et saavutada lõppenergia, mis võib olla GeV vahemikus. Suures hadronite põrguti (LHC) juures on prootonite sünkrotronkiirgus prootonide suure massi tõttu oluliselt nõrgem kui elektronide päriselus sünkrotroni korral, kuid kõrge intensiivsusega prootonpuhangud ja toruseintega toimuvad interaktsioonid võivad tekitada fotoemissiooni ja sekundaarelektronitega seotud kõrvalnähtusid; nende mõjud tuleb kõrgetasemelistes kiirendites arvesse võtta.

Küsimused ja vastused

K: Mis on sünkrotronvalgusallikas?

K: Kuidas tekivad tugevad magnetväljad, et muuta suure energiaga elektronide energia valguseks või muudeks elektromagnetilise kiirguse vormideks?

K: Milliseid osakesi saab sünkrotronis kiirendada?

K: Milliseid rakendusi on sünkrotronvalgusel?

K: Kui palju energiat kaotab iga prooton selle nähtuse tõttu ühe pöörde kohta?

K: Millist tüüpi kiirendid toodavad tavaliselt neid allikaid?

Otsing