Synchrotronstraling
Van Wikipedia
Synchrotronstraling is de straling die vrijkomt in het middenvlak (equatoriale vlak) van een synchrotron. De fotonen worden uitgestraald in de bewegingsrichting van de elementaire deeltjes (meestal elektronen) in het synchrotron, en komen langs de raaklijn (tangentiëel) aan de ring naar buiten. Volgens de wetten van Maxwell moeten elektrisch geladen deeltjes die afgebogen worden, elektromagnetische golven uitzenden. Dit effect treedt behalve in synchrotrons ook op in sterke magneetvelden in het heelal, bijvoorbeeld bij de zon en de Krabnevel.
Inhoud |
[bewerk] Voordelen
Oorspronkelijk bouwde men synchrotrons om deeltjes te versnellen. De synchrotronstraling zag men als een lastig (en gevaarlijk) bijproduct, dat tot energieverlies leidde. Maar de afgelopen decennia is deze straling een belangrijke reden geworden om een synchrotron te bouwen en draaiende te houden.
Synchrotronstraling is namelijk
- bijzonder intens en
- omspant zowat het hele golflengtebereik van het elektromagnetische spectrum.
Vooral in het vacuüm ultraviolet en voor röntgenstralen waarvoor geen andere sterke bronnen bestaan is de synchrotronstraling zeer gewild. Men noemt deze straling polychromatisch (veelkleurig) omdat hij straling met vele verschillende golflengtes bevat. Met behulp van een monochromator kan een golflengte worden uitgekozen voor een experiment.
[bewerk] Productie
De straling wordt 'afgetapt' uit de ring op de plaats waar een afbuigingsmagneet in het synchrotron staat. In moderne synchrotrons worden speciale constructies van magneten in de buis opgenomen die de intensiteit verder kunnen vergroten:
- Een wiggler (letterlijk wiebelaar) is een pakket magneten die de passerende elektronen een groot aantal op-en-neer bochten laten maken. De straling van de elektronen in al deze bochten verlaat via dezelfde beam line (bundelpijp) het systeem.
- Een undulator (letterlijk golfmaker) veroorzaakt een soortgelijke serie bochten in de elektronenbanen, maar is bovendien zo geconstrueerd dat de vrijkomende straling uit de bochten in fase zijn. Een undulator versterkt daardoor preferent een enkele golflengte plus zijn boventonen. De bundel straling is ook meer coherent. Voor de constructie van een undulator wordt gebruikgemaakt van de Lorentzcontractie. Anders zou het nooit mogelijk zijn om straling met een golflengte van 100 pm (picometer) te versterken.
[bewerk] Röntgentoepassingen
De synchrotronstraling van een derde generatie synchrotron zoals het ESRF in Grenoble is circa 10.000 keer intenser dan de beste röntgenbuis. Bovendien is de straal bijzonder parallel. Met een goede monochromator is het mogelijk de gewenste golflengte van de röntgenstraling vrijelijk te kiezen.
[bewerk] Diffractie
Een synchrotron beam line leent zich heel goed voor diffractie experimenten aan moeilijke monsters, zoals grote eiwitten en zeer kleine éénkristallen waar de hoge intensiteit het mogelijk maakt om veel meer reflecties te meten, en poeders waar de parallelle bundel de resolutie sterk verbetert tegenover andere röntgenbronnen.
[bewerk] Expansie en compressie
Door de hoge intensiteit van de synchrotronstraling is het mogelijk patronen in korte tijd op te nemen. (In extreme gevallen is het zelfs mogelijk 30 patronen per seconde op te nemen.) Daardoor wordt het mogelijk veranderingen in het patroon te bestuderen, bijvoorbeeld wanneer het poeder verhit wordt of onder druk gezet. De uitzetting van het kristalrooster met de temperatuur zorgt voor verschuivingen in de diffractiepieken. De uitzettingscoëfficiënt(en) (of de compressibiliteit(en)) zijn daardoor vrij eenvoudig te meten. De figuur laat zien, hoe bij verwarming de diffractiepiek naar kleinere hoeken verschuift. Zoals verwacht zet het kristal uit.
[bewerk] Kinetiek
Een andere toepassing is bestudering van fase-overgangen en hun kinetiek.
[bewerk] Anomale en resonantie effecten
Omdat men de golflengte van de gebruikte synchrotronstraling kan kiezen is het vrij eenvoudig gebruik te maken van de anomale effecten die optreden wanneer de golflengte dicht bij een absorptiekant van een bepaald element ligt. Normaal is de strooiing vrijwel volledig elastisch maar vlak bij een absorptiekant treden fase-verschillen op tussen de inkomende en de gestrooide straling. Dit betekent dat alle atomen van het gekozen element nu anders tot de totale strooiing bijdragen. Ze lichten als het ware een beetje op. Vergelijking met een andere golflengte maakt het dan mogelijk de structuur beter te bestuderen.
Met deze techniek kan men zelfs zien of het onderzochte atoom wel precies bolvormig is. Als de buitenste elektronenschil ervan niet helemaal gevuld is en bijvoorbeeld een magnetisch moment draagt komt dat in het strooiingspatroon tot uitdrukking. Voordat deze techniek ontwikkeld werd, kon de magnetische structuur alleen met neutronendiffractie bestudeerd worden.
[bewerk] Inelastische strooiing
Een klein deel van de straling wordt inelastisch verstrooid. In tegenstelling tot de elastische strooiing waartoe men zich meestal beperkt verandert daarbij de golflengte een klein beetje. Het is moeilijk om de geringe fotonen met deze veranderde golflengte uit de grote massa onveranderde fotonen te filteren. Maar omdat synchrotrons zo ontzettend veel intensiteit produceren is zelfs dit mogelijk. De informatie die men zo verkrijgt heeft betrekking op de trillingswijzen van het kristal (de fononen). Voor de ontwikkeling van deze techniek kon dit soort onderzoek alleen met neutronen gedaan worden.
[bewerk] Spectroscopie
Omdat de golflengte voor het kiezen is, kan het synchrotronlicht ook voor spectroscopische doeleinden gebruikt worden, bijvoorbeeld door de absorptie te meten als functie van de golflengte. Twee verwante technieken zijn hier op gebaseerd:
- EXAFS
- NEXAFS
[bewerk] Lijst van synchrotronlichtbronnen
Synchrotronstraling is voorhanden in een aantal instellingen over de gehele wereld
- Frankrijk
- ESRF Grenoble
- Groot-Brittannië
- Daresbury SRS
- Verenigde Staten
- NSLS Brookhaven, NY
- Argonne
- China
- BSRF Beijing
- Bazilië
- LNLS Sao Paulo
Zie ook:
