Synchrotronové záření Čerenkovovo záření Zdroje mikrovln Mgr. Jan Pipek jan.pipek@gmail.com 9.12.2009 Dostupné na http://fjfi.vzdusne.cz/urychlovace
Synchrotronové záření
Synchrotronové záření historie 1054 Výbuch supernovy v dnešní Krabí mlhovině jako první historicky zaznamenaný zdroj synchrotronového záření 1898 Liénard (+Wiechert): Řešení Maxwellových rovnic pro pohybující se náboj 1947 Objev synchrotronového záření na synchrotronu v General Electric 1949(54) Schwinger: Klasická (kvantová) teorie SZ 1956 G. R. Burbridge zpozoroval synchrotronové záření v galaxii M87
Synchrotronové záření motivace O několik řádů větší intenzita než běžné rentgenky Velmi úzký svazek (v mrad) Krátké pulsy (1 ns a méně) V rovině svazku téměř 100% polarizované Velký rozsah spektra od radiových vln až po rentgen Vzhledem k výrazné závislosti na γ je neefektivní používat k produkci SZ jiné částice než elektrony
Synchrotronové záření vznik (1) Výkon vyzařování pohybujícího se elektronu je dán Liénardovým vztahem 2 2 2 e 6 2 P= 3 4 o c [ ] Při rozložení na členy odpovídající podélnému a příčnému zrychlení je patrné, že příčné zrychlení v reálných aplikací drtivě převažuje.
Synchrotronové záření vznik (2) Směrové rozdělení záření v klidové soustavě elektronu je symetrické, ovšem v laboratorní je kolimováno do úzkého svazku ve směru tečném k pohybu elektronu.
Synchrotronové záření vlastnosti (1) Zářivý výkon na trajektorii s poloměrem zakřivení ρ lze též zapsat jako c C E4 P= 2 2 kde Cγ = 8,8575. 10-5 m. GeV-3 Šířka kuželu záření se mění pro různé energetické složky je řádově rovna 1/γ a s rostoucí energií záření se snižuje. V rovině, kterou tvoří vektor zrychlení a trajektorie částice, je záření lineárně polarizované, mimo ni elipticky polarizované.
Synchrotronové záření vlastnosti (2) Vzhledem k malému vyzařovacímu úhlu pozorujeme fotony jen z velmi krátké části obvodu synchrotronu. Doba trvání pulsu, jak ji pozorujeme v laboratorní soustavě, je dána rozdílem času, za které daný úsek proletí fotony a elektrony. Náskok fotonů je jen velice nepatrný, a tedy je puls velmi krátký (obvykle pod 1 ns). 4 t= 3 3c
Synchrotronové záření spektrum (1) Hlavním parametrem pro popis spektra je kritická (úhlová) frekvence definovaná jako 3 3 c = c 2 Tvar spektra je stejný pro každou energii částic (viz obrázek) Pokud jsou použity wigglery nebo undulátory, spektrum se pochopitelně mění.
Synchrotronové záření spektrum (2)
Zdroje synchrotronového záření (1) I. generace: Běžné synchrotrony používané kromě částicového výzkumu i jako zdroj SZ II. generace: dedikované akumulační prstence sloužící primárně jako zdroje SZ III. generace: akumulační prstence se speciálními vloženými prvky (wigglery, undulátory), které zvyšují výtěžek záření.
Zdroje synchrotronového záření (2) Undulátory Do cesty elektronu je periodicky umístěno několik slabých magnetických polí, které nutí elektron k vlnitému pohybu Kmitající elektron emituje elektromagnetické vlnění o vlnové délce úměrné periodě magnetické struktury Výsledná vlnová délka je kratší faktorem γ2 (elektron vidí kratší vzdálenosti mezi magnety + Dopplerův efekt) Vzniklé záření je koherentní, spektrum čárové, laditelné
Zdroje synchrotronového záření (3) Undulátory (pokr.) V typickém synchrotronu je γ v řádu tisíců, a tedy vlnová délka je 106 až 108krát menší než perioda struktury v oblasti UV a rentgenového záření Wigglery Jsou použita silnější magnetická pole Spektrum se skládá z mnoha čar, efektivně je spojité. Záření je spojité. Jako zdroj slouží (a dříve výhradně) pochopitelně i obyčejné ohýbací magnety.
Synchrotronové záření spektrum (3) Převzato ze stránek synchrotronu Spring-8
Zdroje synchrotronového záření (4) 123-pólový undulátor, Cornell University, USA Záření dosahuje energie 24 kev 10-pólový wiggler, SRS, UK Záření dosahuje energie 10 kev
Synchrotronové záření ukázka Zdroj: Wikimedia Commons
Využití synchrotronového záření (1) Rentgenová mikroskopie Využívají se (většinou) zaostřené rentgenové svazky. Díky tomu lze dosáhnou rozlišení až v řádu desítek nm Zobrazení tenkých vrstev a povrchů Využití v biologii (třeba zmrazit vzorky!) i v materiálovém výzkumu Pulsní charakter SZ umožňuje sledovat vývoj v čase Transmission X-Ray Microscopy (TXM) Scanning Transmission X-Ray Microscopy (STXM) X-Ray Photoemission Electron Microscopy (XPEEM)
Využití synchrotronového záření (2) Rentgenová mikroskopie (pokr.) Tři fáze napadení buňky malárií pozorované 2,4nm paprsky: 1) zdravá buňka, 2) čerstvě napadená buňka, 3) napadená buňka po 36 h
Využití synchrotronového záření (3) Rentgenová spektroskopie Existuje celá řada spektroskopických metod, které využívají existence elektronových atomových i molekulárních hladin Synchrotron poslouží jako zdroj monochromatického rentgenového (nebo tvrdého UV) záření Slouží především k určení chemického složení vzorků X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS) X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS)
Využití synchrotronového záření (4) Rentgenová mikrotomografie Umožňuje získat plně trojrozměrný obraz drobných objektů s rozlišením na úrovni mikrometrů i lepším. Princip je stejný jako CT Zkoumají se buněčné struktury v biologii, struktura kostí v medicíně, používá se v archeologii, paleontologii, ekologii, při výzkumu magnetických materiálů, stavebních materiálů Cévní struktura v plicích (velikost pixelu 7 μm)
Využití synchrotronového záření (5) Rentgenová krystalografie Využívá se difrakce rentgenového záření (obecně o více frekvencích) na krystalu zkoumané látky Na fotografické desce vznikne Fourierův obraz elektronové hustoty struktury, jejž je třeba zpětně rekonstruovat Používá se pro výzkum struktury krystalických látek od jednoduchých anorganických látek až po makromolekulární látky (nepř. proteiny) Elastický (struktura) i neelastický (elektronové hladiny) rozptyl Small Angle X-Ray Scattering (SAXS) malý zkoumaný úhel, větší rozměry molekul
Využití synchrotronového záření (6) Rentgenová krystalografie (pokr.) Typický detekovaný difrakční obrazec Výsledek rekonstrukce (jiného obrazce) Molekula hemoglobinu
Využití synchrotronového záření (7) Rentgenová litografie Metoda, která nahrazuje optickou litografii při výrobě polovodičů. Do fotocitlivé vrstvy na povrchu křemíku se vypaluje maska (většinou v poměru 1:1), která je posléze chemicky fixována Používají se paprsky o vlnové délce v řádu desetin nanometru. Dosažitelné rozlišení činí desítky nm.
Využití synchrotronového záření (8) Nepřímá radioterapie Do nádorové tkáně se dopraví atomy těžkých kovů (Lu, Gd, Pt) Pokud je ozařujeme zářením na úrovni jejich K-hrany (~50 kev), absorbují výrazně více energie než okolní tkáň (Photon Activation Therapy) Vlastní terapeutický efekt mají na svědomí Augerovy elektrony
Významné projekty European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble http://www.esrf.eu/ Spring-8, Japonsko - http://www.spring8.or.jp/en/ Advanced Photon Source (APS), Argonne National Laboratory - http://www.aps.anl.gov/
Čerenkovovo záření
Čerenkovovo záření historie 1888 Heaviside předpovídá, že těleso s nadsvětelnou rychlostí vyzařuje. Čerenkovovo záření bylo pozorováno již od počátku 20. století, ovšem nikdo jej nedokázal uspokojivě vysvětlit. 1934 P. A. Čerenkov spolu s Vavilovem pozorovali modré světlo při průchodu gama záření kapalinou a snažili se neúspěšně zjistit jeho původ. 1937 I. M. Frank a I. J. Tamm jev vysvětlili. 1958 Čerenkov, Frank a Tamm za své objevy dostali Nobelovu cenu.
Čerenkovovo záření vznik (1) Když nabitá částice (nejčastěji elektron) prochází nevodivým prostředím, polarizuje atomy. Následná depolarizace má za následek vznik elektromagnetických vln. Vlny, vznikající podél trajektorie částice, lze složit díky Huyghensovu principu: Pokud se pohybuje pomaleji než světlo v daném prostředí (nikoliv však c!), nedochází k žádnému zesílení. Pokud se pohybuje rychleji (nikoliv však rychleji než c!), vlnoplochy se skládají do rovinné vlny.
Čerenkovovo záření vznik (2) To je splněno, pokud 1 cos = n Lze vypočítat minimální β, a tedy i minimální energii nabité částice: E min = 1 1 1 2 n 2 m0 c m0 c Např. ve vodě (n = 1,33) to pro elektrony znamená energii 260 kev, pro protony 460 GeV. 2
Čerenkovovo záření vznik (3) Světlo se šíří pouze pod tímto úhlem, a tedy vzniká světelný kužel. Ztráta energie částice díky Čerenkovovu záření je oproti jiným ztrátám zanedbatelná (více než tisíckrát menší). Množství energie vyzářené s danou frekvencí na jednotkovou dráhu dráhy částice je vyjádřeno vztahem 2 2 dw 4 q 1 f = 1 2 2 f dl hc n
Čerenkovovo záření spektrum Je vidět, že Čerenkovovo záření preferuje kratší vlnové délky s maximem v ultrafialové oblasti spektra. I proto pozorujeme záření jako modré. Index lomu pro kratší vlnové délky klesá k jedničce (a níž), a tedy nepozorujeme energii vyzářenou v podobě rentgenových ani pronikavějších paprsků.
Čerenkovovy detektory Detektor se skládá z průhledného média o vysokém indexu lomu (radiátoru) a fotonásobičů. Čerenkovovy detektory jako jediné mají principiální spodní mez pro energie zaznamenaných částic. Protože měří rychlost, lze je v kombinaci s měřením hybnosti použít k jednoznačné identifikaci částic. Množství fotonů je malé, proto je třeba citlivých fotonásobičů a prostředí, které samo nescintiluje. Odezva detektoru je velmi rychlá (~ps), zpoždění je dáno fotonásobičem.
Čerenkovovy detektory ukázka Ukázka odezvy fotonásobičů v Superkamiokande. Různé barvy označují různé doby příchodu fotonů.
Využití Čerenkovova záření (1) Projekt Auger používá Čerenkovovy detektory jako jeden ze dvou zdrojů informací o kosmických částicích s velmi vysokými energiemi (kromě nich ještě fluorescenci dusíku v atmosféře). Projekty (Superkamiokande, SNO, Ice Cube), zkoumající vlastnosti neutrin pomocí Čerenkovových detektorů k identifikaci leptonů z reakcí neutrin. Další projekty (ALICE, BaBar,...) částicové fyziky využívají Čerenkovovy detektory pro identifikaci částic.
Využití Čerenkovova záření (2) V reaktorech intenzita Čerenkovova záření odpovídá četnosti štěpných reakcí. Koherentní Čerenkovovo záření se používá pro diagnostiku elektronových svazků na urychlovačích, ale i na tokamacích. Čerenkovovo záření se dá využít v biochemii, pokud jsou použity označené biomolekuly (např. pomocí 32P).
Mikrovlnné zdroje
Mikrovlnné zdroje srovnání Magnetron Nižší napětí Menší velikost Použité např. v mikrovlnné troubě Klystron Větší výkon Větší velikost Vhodné pro velké urychlovače
Magnetron historie 1920 Albert Hull (USA): princip dvoupolóvého magnetronu 1924 August Žáček (ČSR): magnetron by šlo použít ke generování mikrovln 1935 Hans Hollman (Německo): princip rezonančního magnetronu 1940 J. Randall & H.Boot (UK): funkční exemplář tohoto zařízení, použití v 2. světové válce (spojenci)
Magnetron princip (1) Ze žhavicí katody unikají elektrony, které směřují k anodě ve vnější části. Magnetické pole (modře) vychyluje elektrony do kruhového pohybu (červeně). Proudy budí v dutinách jejich rezonanční frekvenci.
Magnetron princip (2) Katoda je válec, pokrytý vrstvou oxidu, zahřívání je nepřímé pomocí wolframového vlákna.
Magnetron ukázky
Klystron historie 1937 Bratři Varianovi (USA) navrhli a sestrojili první funkční klystron. Během druhé světové války zdroj mikrovln pro radary Osy (tehdy slabší než magnetron).
Klystron princip (1) Zdroj: wikipedia
Klystron princip (2) dutinových rezonátorech proud V elektronů budí jejich rezonanční frekvenci. Používá se lineární svazek elektronů, pocházející z běžné žhavé katody. V první dutině slabý zdroj mikrovln urychluje elektrony různou měrou. V jisté vzdálenosti od této dutiny se elektrony seřadí do krátkých pulsů (o různých rychlostech) tam se umístí druhá dutina. Mikrovlny jsou odsud odvedeny vlnovody.
Klystron ukázka Klystron pro Japan Proton Accelerator Research Complex
Toť vše! Děkuji za pozornost a přeji hodně štěstí u zkoušky.