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SURFACE STRUCTURE/5 Synchrotron radiation:production and properties

SURFACE STRUCTURE/5 Synchrotron radiation:production and properties. La Luce di Sincrotrone: Produzione, proprietà, applicazioni in scienza delle superfici. ELETTRA (2 p r≈260 m). ESRF (2p r≈844 m). References. Giorgio Margaritondo, Introduction to Synchrotron Radiation ,

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SURFACE STRUCTURE/5 Synchrotron radiation:production and properties

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Presentation Transcript

  1. SURFACE STRUCTURE/5Synchrotron radiation:production and properties

  2. La Luce di Sincrotrone: Produzione, proprietà, applicazioni in scienza delle superfici ELETTRA (2pr≈260 m) ESRF (2pr≈844 m)

  3. References Giorgio Margaritondo, Introduction to Synchrotron Radiation, Oxford University, 1988. Giorgio Margaritondo, A Primer in synchrotron radiation: Everything you wanted to know about SEX (Synchrotron Emission of X-rays) but were afraid to ask, J. Synchr. Rad. 2 (1995) 148. Giorgio Margaritondo, Synchrotron Light in a Nutshell, sb3.epfl.ch/gm-perso.data/margaritondo4.pdf Robert Z. Bachrach (Ed.), Synchrotron Radiation Research, Advances in Surface and Interface Science, Vol. 1, Plenum, 1992. Wolfgang Eberhardt (Ed.), Applications of Synchrotron Radiation, Springer, 1995 Tsun-Kong Sham (Ed.), Chemical Applications of Synchrotron Radiation (2 Voll.), World Scientific, 2002.

  4. La Luce di Sincrotrone (LDS) “La luce di sincrotrone è la radiazione elettromagnetica emessa da elettroni o positroni che si muovono a velocità relativistiche lungo traiettorie curve, con raggio di curvatura GRANDE” -effetti quantistici trascurabili -in pratica: raggi di curvatura dell’ordine deimetrio delle decine di metri

  5. 51 sorgenti funzionanti (40 dedicate) 12 in costruzione 10 in fase di progettazione II generazione: anni 70/80 III generazione: fine anni 80 - oggi http://www-ssrl.slac.stanford.edu/sr_sources.html

  6. Quali sono le proprietà che rendono interessante la LDS? -ampia distribuzione spettrale • altissima intensità • e “brillanza” -polarizzazione • coerenza • struttura temporale

  7. Come viene prodotta la LDS: Anelli di accumulazione (Storage Rings, SR) FL=(-e/c)vxB

  8. IL LINAC

  9. LINAC cannone elettronico booster transfer line

  10. settore magnetico SR Quadrupolo ID

  11. Parametri Caratterizzanti di un Anello di Accumulazione 1) Corrente del fascio (mA). Valori tipici:10-500 mA. ftipico=50-500m; v~c => 1011-1012 elettroni 2) Energia del fascio (GeV). Valori tipici: 0.1 (VUV)-10 (X duri) GeV; spesso espressa in funzione di 3) Energia di iniezione 4) Numero Nb di pacchetti (bunches) circolanti e loro lunghezza; Valori tipici: Nb=1 (single bunch)-500 (multi bunch) sL=cst centimetri; nanosecondi

  12. 5)Dimensioni del fascio sx e sz; valori tipici 0.01-1 mm (1 deviazione standard lungo le due coordinate) 2sz 2sx

  13. R r 6) raggio di curvatura r; valori tipici dell’ordine dei m r=CE/B

  14. 7) Tempo di vita del fascio tb (beam lifetime); valori tipici: ore tempo durante il quale I=(1/e)I0 8) Pressione nell’anello; valori tipici 10-10-10-11 mbar

  15. voltaggio cavità rf 0 tempo 9) Perdita di energia per ciclo per elettrone dEp; valori tipici: 0.01-1000 keV 10)Frequenza wrf della cavità a radiofrequenza; valori tipici dell’ordine dei MHz wrf=hA(2p/T0) hA - numero armonico dell’anello (intero); Nb≤hA T0 - tempo per un ciclo ~10-7 - 10-6 sec

  16. LDS Da insertion device (ondulatore e wiggler) Da magnete curvante (Bending magnet) Parametri della sorgente: brillanza spettrale (brightness, brilliance), flusso spettrale, potenza irradiata, spettro (picco e larghezza di banda), distribuzione angolare, struttura temporale, polarizzazione, coerenza.

  17. Brillanza spettrale dn0.1% = numero di fotoni emessi dall’area dxdz della sorgente posta in (x, z) nell’intervallo spettale Dhn=0.1%hn, centrato all’energia del fotone hn, entro un angolo solido dW nella direzione definita dagli angoli q e f nell’intervallo di tempo dt. b - numero di fotoni emessi nell’ampiezza di banda frazionaria 0.1% ad hn, normalizzata rispetto alla corrente dell’anello, all’area della sorgente, all’angolo solido ed al tempo. valori tipici: 1010 - 1019fotoni sec-1 mm-2 mrad-2 mA-1 0.1%bw

  18. ELETTRA

  19. Talvolta è più utile il flusso spettrale N: integrale di b esteso all’area totale della sorgente e agli angoli verticali unità di misura: fotoni sec-1 mrad-1 mA-1, 0.1% bw Polarizzazione lineare - nel piano dell’orbita ellittica - fuori dal piano grado di polarizzazione lineare grado di polarizzazione circolare

  20. Distribuzione spettrale della radiazione da magnete curvante energia critica

  21. Tipico profilo a dorso di balena….

  22. Perché il range spettrale è così ampio? Si dimostra con relativa semplicità che - a causa del cono di emissione ristrettissimo- la durata di un impulso di luce visto da un rivelatore puntiforme nel piano dell’orbita è: Per E=2.5 GeV si calcola che g=5025 eV: Per il principio di indeterminazione: dello stesso ordine di grandezza di EC!

  23. Distribuzione angolare dell’emissione da magnete curvante Caso classico: es. onda sonora Applicando la trasformazione galileiana della velocità:

  24. 0.5 p/4 1 LUCE In S: Nel piano dell’orbita:

  25. Ti guardiamo noi, della razza di chi rimane a terra. Montale, Ossi di seppia, Falsetto In L, ovvero: Velocità relativistiche della sorgente => trasformate di Lorentz posizione - tempo momento - energia

  26. Problema:un raggio di luce che si muove lungo qS in S, che direzione qL ha in L? A partire dalle trasformazioni di Lorentz per momento ed energia, è facile dimostrare (cfr. Margaritondo, SEX), che la relazione tra qL e qS è: per qS=p/4, g=5025 (anello da 2.5 GeV), qL=0.08 mrad!!! che si annulla per Si dimostra che che quindi determina l’ampiezza angolare del fascio.

  27. Proprietà della radiazione da ondulatore e wiggler

  28. Lungo l’asse dell’ondulatore: Contrazione di Lorentz Shift di Doppler

  29. Per un anello di accumulazione da 2.5 GeV: L=5 cm lL=10 Å; E=1240 eV In realtà: L’emissione non è strettamente monocromatica, ma dipende da q La lunghezza d’onda dipende dal campo magnetico B (clamshell undulator)

  30. Distribuzione spettrale della radiazione da ondulatore L’insieme di N periodi magnetici agisce da reticolo di diffrazione (effetto della combinazione coerente delle onde emesse da ciascun periodo) per la I armonica:

  31. Distribuzione angolare della radiazione da ondulatore Consideriamo bB2<<1 per semplicità. Ad un angolo dq da q=0, da si ricava: da cui:

  32. Dall’anello alle stazioni sperimentali: beamlines

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