A szinkrotron

A szinkrotron tárológyűrűkben a relativisztikus sebességgel mozgó könnyű elemi részecskék (elektronok, pozitronok) állandó pályán tartásához szükséges dipólus eltérítőmágnesek szolgáltatják a sugárzást. A szinkrotron nyalábcsatornán végzendő kísérlet megtervezéséhez szükséges legfontosabb fizikai mennyiség a (spektrális) fényesség, amely egy megadott energiatartományú fotonok száma /s /vertikális szög /horizontális szög /forrás területe. (Mértékegysége általában foton s^-1 mm^-2 mrad^-2 (0,1% sávszélesség)^-1.) A legtöbb fizikai méréshez a nagyobb fényesség előnyösebb.

Szinkrotronsugárzás akkor keletkezik, amikor relativisztikus sebességű könnyű elemi részecskék (elektronok, pozitronok) sebességük vagy mozgásirányuk megváltoztatására kényszerülnek (azaz gyorsulnak). Ez a sugárzástípus nagyon intenzív, fényessége 10⁶- 10¹²-szerese a konvencionális röntgencsövek által emittált sugárzásnak. Energiatartománya az infravöröstol a kemény röntgensugárzásig terjed, és az elektron tárológyűrű pályasíkjában kibocsátott sugárzás általában lineárisan polarizált. A szinkrotronsugárzás természeténél fogva kollimált is a gyűrűben mozgó elektronok kvázi-cirkuláris mozgásának tangenciális irányában. Nagy fényessége és természetes kollimáltsága teszi alkalmassá a szinkrotronsugárzást mikroszkopikus röntgennyalábok létrehozására.

A szinkrotronokból nyerhető röntgennyalábok egyedülálló tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek használhatóságukat bizonyítják.

1. Nagy fényesség
2. Széles spektrális tartomány folytonos energiaeloszlással, tehát monoenergetikus nyalábok széles energiatartományban állíthatók elő
3. Magas polarizációfok az elektronpálya síkjában, amely nagyon fontos a röntgenfluoreszcenciás kísérleteknél a háttér redukciója miatt
4. Az impulzusos időbeli struktúra időbeli felbontású méréseket tesz lehetővé. A röntgensugarak rövid impulzusok formájában emittálódnak, amelyek 1 ns-nál is rövidebbek, és az impulzusok közötti idő 20 ns vagy ennél is több
5. Természetes kollimáció, a röntgensugarak a teljes szögtartományban emittálódnak horizontális irányban, de függőleges irányban jól kollimáltak. Emiatt lehetséges intenzív nyalábokat létrehozni kis divergenciával. A forrásméret kicsiny, így kis területről intenzív nyaláb állítható elő

A szinkrotronsugárzás nagy fényessége abból adódik, hogy relativisztikus energiákon a fékezési sugárzás szögeloszlása éles maximumot mutat a töltött részecske mozgási irányában. Minden foton, amelyet a laboratóriumi rendszerrel történő méréshez használunk, a speciális relativitáselmélet szerint transzformálódik. A szinkrotronban haladó nagy sebességű elektron nagyon keskeny röntgennyalábot bocsát ki, amely az elektronenergia növelésével fényesebb lesz. Az elektron mozgási irányához viszonyítva q szögben emittált sugárzás a laboratóriumi rendszerben q ’ szögben látszik. A kritikus energia közelében a transzformációt a következő egyenlet adja meg:

q  = 90° esetén tg q ’ »  q ’ »  g ^{- 1} a tipikus félnyílásszög a laboratóriumi rendszerben. Ez a nyílásszög 500 mrad 1 GeV elektronenergián és 73 mrad 7 GeV-on.

Az első generációs szinkrotron sugárforrások “parazita”-üzemmódban muködtek a nagyenergiájú fizikában használt részecskegyorsítókon. A röntgennyalábot előállító eltérítőmágneseket meglévő gyűrűk részeiként illesztették be. Amikor egy elektroncsomag áthalad az eltérítőmágnesen, az elektronnyaláb horizontális széttartása növekszik a mágnes által a görbületi középpontban bezárt szög függvényében. Feltételezve, hogy az elektronnyaláb mérete és divergenciája nem befolyásolja a fényességet, a fényesség a következő egyenlettel adható meg:

B_BM = 1.33´ 10¹³ E²IH₂(e /e _c),

ahol E a tárológyűrű energiája GeV-ban, I a gyűrűáram A-ben, e a röntgenenergia, e _c a tárológyűrű kritikus energiája és H₂ (e /e _c) egy függvény, amelyet Kim^* foglalt táblázatba. Az eltérítőmágnesből származó sugárzás fényessége lineárisan növekszik a gyűrűárammal és a gyűrűenergia négyzetével. A második generációs szinkrotronokat már teljesen a szinkrotronsugárzás mint röntgenforrás hasznosítására tervezték, és eltérítőmágnesek sorozatát tartalmazzák. A harmadik generációs tárológyűrű források főként “insertion device”-okon - wigglereken és undulátorokon - alapulnak, amelyek extrém nagy fényességű röntgenforrásokra adnak lehetőséget.

Minden szinkrotronsugárzást alkalmazó nyalábcsatorna tartalmaz vákuum- és nyalábkomponenst, amelyek megvédik a gyűrűt a vákuumrendszer meghibásodásaitól és a sugárvédelmet is szolgálják. A nyalábcsatorna vákuumrendszerét a tárológyűrűtől berilliumablak és horizontális apertúrák választják el. A tárológyűrű védopajzsa mögött elhelyezkedő “front end” egy biztonsági zárat tartalmaz, amely csak a nyalábcsatorna és a kísérleti állomás összekapcsolt állapotában nyitható. A kísérleti állomás több komponensbol állhat, ami lehetové teszi a minta mozgatását és speciális műszereket tartalmaz röntgenfluoreszcenciás, -abszorpciós, -diffrakciós stb. vizsgálatokhoz. Néhány alapvető komponens mint a mintaállvány és az optikai mikroszkóp mindenfajta mérés esetén hasonló.

A mintaállvány legalább kétdimenziós transzlációs lehetőséggel rendelkezik, számítógépes vezérlésű léptetőmotorokkal mozgatható, ami lehetővé teszi a minta letapogatását illetve az optikai mikroszkóp fókuszába való beállítását. Gyakran az egész rendszer emelőasztalhoz van rögzítve, a pontos vertikális pozíció beállításához. A minta helyzetét egy TV kamerával felszerelt optikai mikroszkóp figyeli. Az objektívlencse nagyításának elfogadható munkatávolsághoz kell illeszkednie, hogy a bejövő vagy a kimenő nyaláb átmetszése elkerülheto legyen.

* Kwang-Je Kim, X-ray Data Booklet (D. Vaugham Ed.), Lawrence Berkeley, (1986).