WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 15 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына В. В. Михайлин СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В СПЕКТРОСКОПИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына В. В. Михайлин СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В СПЕКТРОСКОПИИ Москва, 2007 г.

- 1 - УДК 535.37 Михайлин В.В. Синхротронное излучение в спектроскопии.

Учебное пособие предназначено для студентов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, слушающих курсы «Синхротронное излучение и его применения» и «Спектроскопия твердого тела» и аспирантов, слушающих курс «Методы спектроскопии с синхротронным излучением».

© Московский Государственный Университет © НИИЯФ МГУ © Михайлин В. В.

- 2 - Глава 1. СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИСТОЧНИКИ, КАНАЛЫ 1.1. Свойства синхротронного излучения В настоящее время существенная часть исследований взаимодействия излучения с веществом в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра проводится с использованием мощного синхротронного излучения циклических ускорителей и накопителей электронов.

Теория синхротронного излучения рассмотрена в [1, 2].

Выделим здесь свойства, наиболее важные для практических применений. Синхротронное излучение ультрарелятивистского электрона сосредоточено в плоскости орбиты и благодаря релятивистским эффектам остро направлено.

Оно заключено в конусе с углом раствора = 1/ где = E/m0c2 – релятивистский фактор. Эффект Допплера приводит к смещению максимума мощности излучения в область больших частот. В результате критическая частота равна c ~ 03 (0=c/2R – частота обращения электрона по орбите) а критическая длина волны излучения с = 0,4R/33 = 0,559R/E3 (max = 0,42 c = 0,254 R/E2), где R выражено в м, Е – в ГэВ, – в нм.

Для расчета мгновенной мощности W (,), излучаемой моноэнергетическим электроном в угол, равный радиану, и на единицу длины волны, можно воспользоваться формулой (1.1) 27 e2c c W (, ) = [1+ ( ) ] 32 R ( ) ()+ K12/ 3( ), K 2 / 1+ ( ) где – угол между направлением излучения и плоскостью орбиты; K – модифицированные функции Бесселя с - 3 - 3/ c аргументом = [1+ ( ) ]. Расчет по этой формуле дает угловое и спектральное распределение излучения моноэнергетического электрона (рис. 1.1).

Потери энергии одним электроном за оборот (1.2) 2R 4 e3 4 4 e2 E E E = W = = 88,5, c 3 R 3 R m0c2 R где Е выражено в кэВ, Е – в ГэВ, R — в м. Для практических применений важны такие характеристики, как освещенность, даваемая источником, мощность пучка излучения, спектральная мощность, полный поток фотонов, угловое распределение излучения, спектральная яркость источника.

Такие характеристики СИ обычно приводят не в теоретических работах, а в обзорах и книгах, посвященных применениям [6— 12]. Удобный набор формул для практических расчетов и оценок дан в [7].

Остановимся на этих характеристиках.

Освещенность – это поток излучения, приходящийся на единицу площа- Рис. 1.1. Рассчитанная излучаемая мощность СИ W в зависимости от ди. Для эксперимента с исдлины волны при различной энерпользованием СИ это соотгии электрона.

ветственно мощность пучка СИ, просуммированная по всему спектру и приходящаяся на площадку 1 мм2 на расстоянии L от точки излучения:

- 4 - 5 (1.3) E i HE i = 14 = 0,RL2 Lгде – освещенность, Вт/мм2; Е – энергия электронов, ГэВ;

i – ток, А; R – радиус орбиты, м; H – магнитное поле, кЭ; L – расстояние от точки излучения до точки наблюдения, м.

Ток на орбите связан с числом частиц N: i=l,6-10-19 N 0, где 0 – частота обращения, Гц. Спектральная освещенность – это освещенность в относительном интервале / на данной длине волны, Вт/мм2:

(1.4) E i = 5,9 - c c L2 где выражено в нм, Е – в ГэВ, i – в A, L – в м; (/c) и (/c) – универсальные спектральная и угловая функции (рис. 1.2).

Мощность пучка СИ, просуммированная по спектру и проинтегрированная по вертикальному углу, излучаемая в горизонтальный угол, Вт/мрад:

W = 14E4i/R = 0,42НЕ3. (1.5) Соответственно спектральная мощность (1.6) iE W = 4,86 c Полный поток фотонов всех энергий, излучаемый в горизонтальный угол, фотон/(смрад):

(1.7) N = 1,31017 Ei.

Спектральный поток фотонов на данной длине волны в относительный интервал длин волн /, фотон/(смрад):

(1.8) N = 2,461016 iE (/c) /.

- 5 - Рис. 1.2. Универсальные функции: (/c), определяющая спектральное распределение СИ (а), и (/c), определяющая ширину углового распределения СИ (б) Угловое распределение для критической длины волны, определяемое углом в миллирадианах:

(1.9) (с) = 0,82/E.

При >>c этот угол больше (с) и определяется длиной волны СИ и радиусом орбиты:

(1.10) () = 0,66 (10/R)1/При <

(1.11) () = 510-2 10H.

Отношение ()/(c) является универсальной функцией от /c.

Спектральная яркость источника, равная числу фотонов, которые излучаются в единицу времени с единицы площади, зависит от размеров и углового разброса электронов в пучке:

2 (1.12) B = N / + ( )x z z где x и z – эффективные горизонтальный и вертикальный размеры пучка; N – спектральный поток фотонов;

= () – угловая расходимость СИ; я – угловой разброс электронов в пучке по вертикали.



- 6 - Размеры и угловой разброс электронного пучка мало влияют на суммарную интенсивность и спектральное распределение СИ, однако целый ряд важных характеристик источника зависит от параметра пучка. Например, угловая расходимость пучка при увеличении поперечных размеров пучка и разброса электронов увеличивается. Освещенность образца при этом уменьшается. Все оценки справедливы для моноэнергетических электронов, т. е. для накопителей.

Для синхротронов необходимо учитывать временную зависимость энергии электронов [3, 8].

Временные характеристики СИ связаны с типом машины. На синхротроне цикл ускорения, как правило, повторяется с частотой 50 Гц, и с такой же частотой повторяются пакеты импульсов СИ, промодулированные внутри пакетов с частотой обращения электронов на орбите 0=с/2лR. Длина сгустка электронов на орбите определяет длительность этого минимального импульса, которая достигает сотен пикосекунд. Если на орбите несколько сгустков, то частота повторения будет кратной частоте обращения = n0, где п – число сгустков.

В накопителях электроны живут на орбите несколько часов. Здесь важно учесть длину сгустка, достигающую нескольких сантиметров (длительность до 100 пс), число сгустков на орбите, частоту обращения электрона и постепенное снижение интенсивности импульсов СИ из-за потери частиц с орбиты.

Поляризационные характеристики СИ. Напомним, что компонента линейной поляризации с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости орбиты (-компонента), имеет характерное угловое распределение с минимумом в плоскости орбиты. Компонента с электрическим вектором, параллельным плоскости орбиты (компонента), имеет максимум в плоскости орбиты. Непосредственно в плоскости орбиты излучение почти полно- 7 - стью линейно поляризовано. Вырезая излучение в плоскости орбиты, можно получить линейную поляризацию, достигающую 98 %. Усредненная по всем углам и длинам волны степень линейной поляризации все еще очень высока и достигает 75 %. В выражении для линейной поляризации I - I I|| - I = (1.13) I + I I|| + I I, I – интенсивность компонент с электрическим вектором в плоскости и перпендикулярно плоскости орбиты. В ряде работ I обозначается как I||, а I как I. Степень поляризации является функцией длины волны и угла и может быть рассчитана по теоретической формуле I - I P(, ) = = I + I ( ) ( ) K 2 2 2 2 + 2 K ;

(1.14) = K K 2 / 3 2 / 3 2 / 3 1/ 2 ( ) ( ) 1+ 1+ обозначения те же, что и в (1.1). Между колебаниями векторов - и -компонент существует сдвиг по фазе, который равен –/2 для излучения электронов выше плоскости орбиты (т. е. излучение должно быть циркулярно поляризовано с левым вращением) и +/2 для излучения ниже плоскости орбиты (т. е. излучение поляризовано с правым вращением). Важной характеристикой СИ наряду со степенью линейной поляризации является степень циркулярной поляризации 2 I I Q = ± (1.15) I + I при этом «плюс» соответствует излучению выше плоскости орбиты, а «минус» – ниже. На рис. 1.3 в качестве при- 8 - мера поляризационных характеристик СИ приведены рассчитанные по известным формулам угловые распределения интенсивности - и -компонент (I|| и I) для накопителя DORIS 3,5 ГэВ. Наряду с угловой зависимостью линейной и циркулярной поляризации мы видим, что при увеличении энергии кванта СИ диаграмма его направленности становится более острой.

Рис. 1.3. Рассчитанное угловое распределение интенсивности компонент линейной поляризации для электрического вектора, параллельного плоскости орбиты I|| и перпендикулярного I, и круговой левой IL. и правой IR поляризации для накопителя DORIS при энергии электронов 3,5 ГэВ для трех значений энергии фотонов ћ (по данным [8]) - 9 - Ондуляторное излучение. Мы уже говорили о том, что установка в прямолинейные промежутки ускорителей и накопителей ондуляторов и виглеров позволяет получить более высокоэнергетическое, на несколько порядков более интенсивное излучение.

Ондуляторное излучение обладает уникальными поляризационными свойствами, например, спиральный ондулятор позволяет быстро менять правую круговую поляризацию на левую. Ондуляторное излучение обладает пространственной дисперсией, что позволяет получить монохроматическое излучение в широкой спектральной области (до рентгеновской без монохроматора). Свойством пространственной монохроматичности обладает ондулятор с большим числом элементов периодичности K>>1.

Под углом к оси ондулятора излучение наблюдается в малом интервале длин волн (1.16) / 1/K относительно длины волны (1.17) = min (1 + 22), <<Угловое распределение интенсивности CИ в плоскости колебаний частицы характеризуется наличием двух минимумов под углами =1/. Следует подчеркнуть, что такими же свойствами обладает угловое распределение мгновенной интенсивности СИ. Однако вследствие усреднения по периоду вращения электрона наблюдение такой зависимости на пучках СИ затруднительно.

В дипольном приближении форма спектра излучения, проинтегрированного по всем углам, специфична для каждого ондулятора и не зависит от поля в ондуляторе. При K>>1 спектр CИ характеризуется резким обрывом на длинах волн min.

Подводя итоги, следует сказать, что возможности использования СИ в эксперименте обусловлены совокупностью следующих свойств этого излучения:

- 10 - 1. СИ является практически единственным доступным источником, обладающим значительной интенсивностью и непрерывным спектром в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.





2. СИ является единственным интенсивным источником в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях с высокой и хорошо известной степенью поляризации, как линейной, так и круговой.

3. Спектральное и угловое распределение излучения электронов, а также поляризации могут быть рассчитаны с высокой точностью.

4. Благодаря острой направленности СИ эксперименты можно проводить на большом расстоянии от источника в зоне малой радиационной опасности, с развитой системой дифференциальной откачки в канале.

5. Источники СИ позволяют получать мощные сверхкороткие импульсы длительностью до 100 пс и проводить кинетические измерения в широком диапазоне времен.

6. Та особенность, что источник сам движется со скоростью, близкой к скорости света, позволяет построить специальные устройства, повышающие интенсивность приходящего СИ в точке, что особенно важно для применения СИ в нелинейной оптике.

7. Высокий вакуум в источнике, т. е. в камере синхротрона или накопителя 10-7 Па, дает важное преимущество по сравнению с другими (например, газоразрядными) источниками, позволяя получать сверхвысокий вакуум в рефлектометре 10-9 Па, что важно в физике поверхности.

8. Использование ондуляторов и виглеров (сверхпроводящих «змеек») позволяет на несколько порядков повысить спектральную мощность излучения и сделать его более высокоэнергетическим.

9. Использование пространственной монохроматичности ондуляторного излучения позволяет получить моно- 11 - хроматическое излучение во всем диапазоне CИ без использования диспергирующих устройств.

10. Использование спиральных ондуляторов позволяет получить поляризационные характеристики (круговая поляризация), удобные для измерений кругового дихроизма и оптической активности.

1.2. Источники и каналы СИ Источники. Интерес к СИ обусловлен тем, что источники СИ предоставляют экспериментаторам пучки интенсивного с непрерывным спектром, высококоллимированного, поляризованного излучения, характеристики которого хорошо предсказуемы теоретически.

Первыми источниками СИ были синхротроны. Они сыграли важную историческую роль – на них было обнаружено синхротронное излучение, исследованы его основные характеристики, начаты (и идут до сих пор) эксперименты по использованию СИ. Однако накопители как источники СИ имеют серьезные преимущества перед синхротронами, в частности благодаря возможности длительного использования излучения моноэнергетических электронов. На синхротроне в отличие от накопителя в каждом цикле ускорения необходимо выделять временной участок, на котором электроны можно считать достаточно моноэнергетическими. Это существенно снижает эффективность использования синхротрона в качестве источника. Есть и другие важные преимущества у накопителей как источников СИ, связанные с меньшим сечением пучка электронов, возможностью накопления большего числа частиц на орбите, более высоким вакуумом (10-7 Па), более низким радиационным фоном вокруг накопителя, что позволяет располагать аппаратуру в непосредственной близости от источника СИ, и др.

- 12 - Будущее, конечно, за накопителями – именно на основе накопителей созданы и разрабатываются специализированные источники СИ. В табл. 1.1 даны характеристики действующих источников СИ (синхротронов и накопителей) у нас в стране. Мы не будем останавливаться на особенностях конструкции собственно источников СИ — ускорителей и накопителей, так как они достаточно подробно описаны в учебниках по технике ускорителей, а остановимся на технике использования СИ.

Каналы СИ на синхротронах. Использование специфических свойств СИ требует создания специальных установок на ускорителях и накопителях. Познакомимся с каналами СИ и их оснащением. Общее требование ко всем каналам на синхротронах и накопителях – это надежная защита вакуума в камерах источников СИ. В зависимости от области спектра (рентгеновская с длиной волны короче 0,5 нм, низкоэнергетическая, рентгеновская, вакуумная ультрафиолетовая, видимая или инфракрасная) каналы подразделяют на невакуумированные и вакуумированные.

Для вывода излучения в рентгеновской области спектра (<0,5 нм) в качестве выходного окна используется бериллиевая фольга тол щиной 100 – 300 мкм, само излучение далее распространяется в атмосфере или по каналу, отделенному по вакууму от источника СИ (форвакуумные каналы). В видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра используются окна из стекла, кварца, кристаллов.

- 13 - Таблица 1.1. Источники синхротронного излучения в РОССИИ Источник Е, ГэВ R, м i, мА Области применения СИ c, нм 1. Накопители ВЭПП-4 5,5 14,0 20 0,047 Лазер на свободных электронах (ЛСЭ), ондуляторное излучение, рентгеновская топография, медицинская диагностика и др.

ВЭПП-3 2,2 6,15 50 0,3 EXAFS–спектроскопия, ЛСЭ, оптический клистрон, ондуляторное излучение, рентгеновская топография, малоугловая дифрактометрия, мессбауэровская дифрактометрия, рентгеновская спектроскопия, спектроскопия с временным разрешением, медицинская диагностика, элементный анализ, кинетика структурных изменений и др. (по состоянию на июль 1983 г.) «Сибирь-1» 0,45 1,0 100 6,13 Фотоэлектронная спектроскопия, ВУФспектроскопия, люминесценция, радиометрия, рентгеновская литография и др.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 15 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.