Synchrotronstraling
Synchrotronstraling is de straling die vrijkomt in het equatoriale vlak van een synchrotron. De fotonen worden uitgestraald in de richting waarin de deeltjes in het synchrotron zich bewegen, en komen tangentieel aan de ring naar buiten.
Hoewel deze straling oorspronkelijk als een lastig (en gevaarlijk) bijproduct van het bedrijven van onderzoek met een synchrotron gezien werd, heeft het zich ontwikkeld tot een belangrijke reden om een synchrotron te bouwen en draaiende te houden.
De straling is ten eerste bijzonder intens en ten tweede omspant het zowat het hele golflengtebereik van het elektromagnetisch spectrum. Vooral in het Vacuüm ultraviolet en voor Röntgenstralen waarvoor geen andere sterke bronnen bestaan is de synchrotron straling zeer gewild. Uit de polychromatische straling kan met behulp van een monochromator een golflengte worden geselecteerd die voor een experiment wordt gebruikt.
De straling wordt traditioneel 'afgetapt' waar een afbuigingsmagneet in het synchrotron staat. In modernere instrumenten worden ook speciale constructies in de buis opgenomen die de intensiteit verder kunnen vergroten:
- Een wiggler bestaat uit een groot aantal op-en-neer bochten die met magneten worden geïnduceerd. De straling van al deze bochten verlaat via dezelfde beam line het systeem.
- Een undulator is een soortgelijke serie bochten, maar is bovendien zo geconstrueerd dat de bochten voor elke golf van de gewenste straling in fase zijn. Een undulator versterkt daardoor preferent een enkele golflengte plus zijn boventonen, bovendien is de straal 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 te versterken.
Inhoud |
[bewerk] Röntgentoepassingen
De synchrotronstraling van een derde generatie synchrotron zoals het ESRF in Grenoble is ca. 10.000 keer intenser dan de beste Röntgenbuis. Bovendien is de straal bijzonder parallel. Middels een goede monochromator is het ook mogelijk de gebruikte golflengte 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 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 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 rooster met de temperatuur zorgt voor verschuivingen in de diffractiepieken. De uitzettingscoëfficiënt(en) (of de compressibiliteit(en)) zijn daardoor vrij eenvoudig te meten.
[bewerk] Kinetiek
Een andere toepassing is de studie van fase-overgangen en hun kinetiek.
[bewerk] Anomale en resonantie effecten
Omdat het mogelijk is de golflengte te kiezen is het vrij eenvoudig gebruik te maken van de anomale effecten die optreden wanneer de golfflengte dicht bij een absorptiekant van een bepaald element ligt. Normaal is de strooiing vrijwel volledig elastisch maar vlak bij een absorptie 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 is het zelfs mogelijk te zien of het bepaalde 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. Voor de ontwikkeling van deze techniek was het alleen mogelijk studies van de magnetische structuur met neutronendiffractie te doen.
[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 gloflengte een klein beetje. Het probleem bij de studie van die component dat het erg moeilijk is de fotoen met deze veranderde golflengte uit de grote massa onveranderde fotonen te filteren. Omdat synchrotrons zo ontzettend veel intensiteit produceren is zelfs dit mogelijk. De informatie die men uit een dergelijke studie verkrijgt heeft betrekking op de trillingswijzen van het kristal (de fononen). Voor de ontwikkeling van deze techniek was het alleen mogelijk dit soort studies met neutronen te doen.
[bewerk] Spectroscopie
Omdat de golflengte voor het kiezen is, kan het synchrotronlicht ook voor spectrocopische 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:
