Синхротронное излучение в диагностике наносистем

Синхротронное излучение – магнитотормозное электромагнитное излучение, испускаемое релятивистскими заряженными частицами, которые движутся по круговым орбитам под действием постоянного магнитного поля.
Излучение нерелятивистских частиц – циклотронное.
Под действием переменного магнитного поля – ондуляторное излучение.
Немного истории.
Синхротронное излучение
Теоретически предсказано и описано задолго до появления ускорителей.
1864 год, Максвелл – существование электромагнитного излучения от движущейся с ускорением заряженной частицы
1898 год, Лиенар – формула мощности радиационных потерь в зависимости от энергии частицы.
1912 год, Дж. Шотт – теоретическое описание свойств и углового распределения эл-м. излучения электрона на круговой орбите.
1947 год, Ф. Хабер – экспериментально обнаружил.
60-е годы – использование в экспериментах.
Создание ускорителей заряженных частиц
Источники 1-го поколения – исследования атомного ядра, создание потоков заряженных частиц высоких энергий.
1919-1932 – получение и использование высоких напряжений для непосредственного ускорения частиц
1931 – электростатический генератор Ван-де-Граафа
1932 – каскадный генератор (МэВ), первая ядерная реакция
1931-1944 разработка и создание циклических резонансных ускорителей.
1931, Э.О.Лоуренс – создание циклотрона (10-20 МэВ)
1940, Д.У.Керст – создание бетатрона
1944, В.И.Векслер – открытие эффекта автофазировки,
разработка и создание современных резонансных ускорителей: синхротрона, фазотрона, синхрофазотрона, микротрона
Начало 50-х гг. – предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (амер. учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952), существенно повысивший технический предел достижимых энергий в циклических и линейных У. з. ч.

Собственно источник СИ - накопительной кольцо, являющееся 3-й ступенью. Сначала частицы генерируются и разгоняются в линейном ускорителе, далее инжектируются в бустер, где еще разгоняются и поступают в накопитель.
(RF – наличие ВЧ ускорительных станций в кольце бустера и в накопительном кольце)
Принципиальная схема источника синхротронного излучения 2-го поколения.

По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, позитронные, протонные ускорители и ускорители ионов.
По характеру траекторий частиц различают линейные ускорители (точнее, прямолинейные ускорители), в которых траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности (или спирали).
По характеру ускоряющего поля У. з. ч. делят на резонансные ускорители, в которых ускорение производится переменным высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем и для успешного ускорения частицы должны двигаться в резонанс с изменением поля, и нерезонансные ускорители, в которых направление поля за время ускорения не изменяется. Последние в свою очередь делятся на индукционные ускорители, в которых электрическое ускоряющее поле создаётся за счёт изменения магнитного поля (эдс индукции), и высоковольтные ускорители, в которых ускоряющее поле обусловлено непосредственно приложенной разностью потенциалов.
По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикулярных к орбите направлениях (фокусировку), различают ускорители с однородной фокусировкой, в которых фокусирующая сила постоянна вдоль траектории (по крайней мере, по знаку), и ускорители со знакопеременной фокусировкой, в которых фокусирующая сила меняет знак вдоль траектории, т. е. чередуются участки фокусировки и дефокусировки. В применении к некоторым типам циклических ускорителей (синхротрон и синхрофазотрон) вместо терминов "однородная" и "знакопеременная" фокусировка пользуются терминами "слабая" и "сильная" ("жёсткая") фокусировка.
Резонансные циклические ускорители могут быть классифицированы далее по характеру управляющего - "ведущего" - магнитного поля и ускоряющего электрического поля: ускорители с постоянным и с переменным во времени магнитным полем и соответственно ускорители с постоянной и с переменной частотой ускоряющего поля. Приведённая классификация (табл. 1) не охватывает ускорителей со встречными пучками и ускорителей, использующих коллективные методы ускорения. Первый тип является своеобразной разновидностью перечисленных в табл. 1 ускорителей: пучки частиц от ускорителей того или иного типа направляют навстречу друг другу. Второй тип отличается от всей совокупности описанных ускорителей по источнику ускоряющего поля.
Классификация ускорителей заряженных частиц

Уникальные свойства и возможности СИ:
Огромная яркость источника – большая чувствительность и скорость измерений.
Спектр СИ – возможность получения монохроматических пучков рентгеновских лучей с настраиваемой длиной волны.
Поляризованность излучения и возможность ей управлять – можно исследовать упорядоченные спиновые системы, например магнитные.
Импульсный характер и малая длительность импульсов – возможность изучать быстро протекающие процессы (взрывы, фазовые переходы, химические реакции).
Естественная высокая коллимированность – увеличивается контраст и разрешающая способность.
Наиболее известные и широко применяемые методы исследования с использованием СИ:
Дифракционный рентгеноструктурный анализ – атомная и молекулярная структура кристаллических веществ.
Рентгеноская флуоресцентная спектроскопия – атомный состав.
Рентгеновская спектроскопия поглощения – атомный состав.
Методы абсорбционной спектроскопии вблизи скачков поглощения выбранных опорных атомов (XANES, EXAFS, NEXAFS, поверхностная EXAFS) – локальная атомная структура и химическое состояние элементов.
Получение изображений в рентгеновских лучах (просвечивание, томография, рентгеновская микроскопия).
Исследование магнитных структур и упорядочения спиновых структур с помощью дихроизма рассеяния и поглощения поляризованных рентгеновских лучей.

Области применения синхротронного излучения и решаемые задачи

Наиболее крупные действующие источники СИ

Распределение времени работы крупнейших источников синхротронного излучения
ARS
SPring-8
ESRF

Пространственное распределение фотонного излучения нерелятивистских и релятивистских электронов.
Для нерелятивистской частицы
R=mv/(qB)
wс=qB/m
I ~ sin2α
Для релятивистских и ультрарелятивистских частиц
E=m0c2/(1-v2/c2)1/2
γ=1/(1-v2/c2)1/2 =E/ m0c2
релятивистский лоренц-фактор
θv~γ-1 =mc2/E
СИ сильно коллимировано

Спектральное распределение синхротронного излучения
м=м0γ, λ=λ0γ
wmax~wcγ3,
wc – циклотронная частота
Частотный сдвиг
Для электрона(позитрона) на орбите длины 300 м с частотой 106 Гц с энергией 5 ГэВ, γ=1957Е максимум интенсивности СИ приходится на частоту 1018 Гц, которая соответствует рентгеновскому диапазону.
Принцип резонансного ускорения

Эффект автофазировки
φ0 – равновесная фаза, при котором частица получает необходимое количество энергии, компенсирующее потери на СИ, и остается на одной орбите
Период обращения по равновесной орбите T=2πE/(ceB), т.е. чем больше энергия, тем больше период обращения
Временная структура СИ
Поляризация СИ
Пучок СИ из поворотного магнита в небольшом слое параллельном плоскости орбиты имеет почти 100% линейную поляризацию с вектором электрического поля в горизонтальной плоскости, а выше и ниже этого слоя СИ эллиптически поляризовано, при этом направление вращения вектора поляризации в верхней и нижней половинах пучка противоположно.
Свойства синхротронного излучения из поворотных магнитов