‹#› 1 V. Synchrotronové záření KOTLÁŘSKÁ 28.DUBNA 2010 F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2009 - 2010 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Úvodem • Naposledy bez Planckovy konstanty, i když … • Odvolám se na znalosti z elektromagnetismu, optiky a relativity • Synchrotronové záření (SZ) … experimentální nástroj • Na jiném místě uslyšíte o výsledcích použití SZ • Dnes: vlastnosti SZ a odpovídající konstrukci zdrojů • Nádherná fyzika … ultrarelativistický elektron • Vlastně další z Einsteinových hvězdných prací: ta nejhvězdnější ‹#› 3 Synchrotronové záření SZ je netepelného původu: vzniká při pohybu velmi rychlých elektronů po drahách zakřivených magnetickým polem Na Zemi jsou zdroje SZ budovány jako urychlovače elektronů. ‹#› 4 ‹#› 5 ‹#› 6 Rozšíření "photon factories" ve světě Hlavní hnízda: USA & Kanada Evropa & Rusko Asie Japonsko ‹#› 7 Rozšíření "photon factories" ve světě Lund Daresbury Novosibirsk Grenoble Berlin Trieste Nový způsob práce • big science • ambulantní způsob práce • mezinárodní centra • role místního personálu • legionáři vědy ‹#› 8 esrf synchrotron akumulační prstenec lineární urychlovač urychlovací synchrotron svazek záření ‹#› 9 Proč se staví taková monstrosní zařízení jako zdroj světla? Spektroskopické metody za použití SZ jsou základním nástrojem poznání • v atomové fysice • v chemii • materiálovém výzkumu – elektronové struktury • materiálovém výzkumu – strukturní analyse • v biochemii a biologii Další aplikace SZ • v technologii: litografie (uzavřené laboratoře ~ 1/3 kapacity) • v medicině ‹#› 10 Proč se staví taková monstrosní zařízení jako zdroj světla? Spektroskopické metody za použití SZ jsou základním nástrojem poznání • v atomové fysice • v chemii • materiálovém výzkumu – elektronové struktury • materiálovém výzkumu – strukturní analyse • v biochemii a biologii Další aplikace SZ • v technologii: litografie (uzavřené laboratoře ~ 1/3 kapacity) • v medicině ANO, ALE PROČ JE SZ TAK ÚŽASNÉ? • intensivní zdroj elmg. záření • spektrální obor od radiofrekvencí do XUV až ultratvrdého RTG (mezní frekvence podle energie elektronů) • záření je vysoce kolimované tečně k prstenci (rovnoběžný svazek) • je téměř 100 % polarisované v rovině prstence • má velmi výhodnou pulsní strukturu v čase (synchronní detekce) … dnes: fysikální podstata toho všeho ‹#› 11 Proč se staví taková monstrosní zařízení jako zdroj světla? Spektroskopické metody za použití SZ jsou základním nástrojem poznání • v atomové fysice • v chemii • materiálovém výzkumu – elektronové struktury • materiálovém výzkumu – strukturní analyse • v biochemii a biologii Další aplikace SZ • v technologii: litografie (uzavřené laboratoře ~ 1/3 kapacity) • v medicině ANO, ALE PROČ JE SZ TAK ÚŽASNÉ? • intensivní zdroj elmg. záření • spektrální obor od radiofrekvencí do XUV až ultratvrdého RTG (mezní frekvence podle energie elektronů) • záření je vysoce kolimované tečně k prstenci (rovnoběžný svazek) • je téměř 100 % polarisované v rovině prstence • má velmi výhodnou pulsní strukturu v čase (synchronní detekce) … dnes: fysikální podstata toho všeho ‹#› 12 Proč se staví taková monstrosní zařízení jako zdroj světla? Spektroskopické metody za použití SZ jsou základním nástrojem poznání • v atomové fysice • v chemii • materiálovém výzkumu – elektronové struktury • materiálovém výzkumu – strukturní analyse • v biochemii a biologii Další aplikace SZ • v technologii: litografie (uzavřené laboratoře ~ 1/3 kapacity) • v medicině ANO, ALE PROČ JE SZ TAK ÚŽASNÉ? • intensivní zdroj elmg. záření • spektrální obor od radiofrekvencí do XUV až ultratvrdého RTG (mezní frekvence podle energie elektronů) • záření je vysoce kolimované tečně k prstenci (rovnoběžný svazek) • je téměř 100 % polarisované v rovině prstence • má velmi výhodnou pulsní strukturu v čase (synchronní detekce) … dnes: fysikální podstata toho všeho ‹#› 13 Proč se staví taková monstrosní zařízení jako zdroj světla? Spektroskopické metody za použití SZ jsou základním nástrojem poznání • v atomové fysice • v chemii • materiálovém výzkumu – elektronové struktury • materiálovém výzkumu – strukturní analyse • v biochemii a biologii Další aplikace SZ • v technologii: litografie (uzavřené laboratoře ~ 1/3 kapacity) • v medicině ANO, ALE PROČ JE SZ TAK ÚŽASNÉ? • intensivní zdroj elmg. záření • spektrální obor od radiofrekvencí do XUV až ultratvrdého RTG (mezní frekvence podle energie elektronů) • záření je vysoce kolimované tečně k prstenci (rovnoběžný svazek) • je téměř 100 % polarisované v rovině prstence • má velmi výhodnou pulsní strukturu v čase (synchronní detekce) … dnes: fysikální podstata toho všeho ‹#› 14 Proč se staví taková monstrosní zařízení jako zdroj světla? Spektroskopické metody za použití SZ jsou základním nástrojem poznání • v atomové fysice • v chemii • materiálovém výzkumu – elektronové struktury • materiálovém výzkumu – strukturní analyse • v biochemii a biologii Další aplikace SZ • v technologii: litografie (uzavřené laboratoře ~ 1/3 kapacity) • v medicině ANO, ALE PROČ JE SZ TAK ÚŽASNÉ? • intensivní zdroj elmg. záření • spektrální obor od radiofrekvencí do XUV až ultratvrdého RTG (mezní frekvence podle energie elektronů) • záření je vysoce kolimované tečně k prstenci (rovnoběžný svazek) • je téměř 100 % polarisované v rovině prstence • má velmi výhodnou pulsní strukturu v čase (synchronní detekce) … dnes: fysikální podstata toho všeho ‹#› 15 Proč se staví taková monstrosní zařízení jako zdroj světla? Spektroskopické metody za použití SZ jsou základním nástrojem poznání • v atomové fysice • v chemii • materiálovém výzkumu – elektronové struktury • materiálovém výzkumu – strukturní analyse • v biochemii a biologii Další aplikace SZ • v technologii: litografie (uzavřené laboratoře ~ 1/3 kapacity) • v medicině ANO, ALE PROČ JE SZ TAK ÚŽASNÉ? • intensivní zdroj elmg. záření • spektrální obor od radiofrekvencí do XUV až ultratvrdého RTG (mezní frekvence podle energie elektronů) • záření je vysoce kolimované tečně k prstenci (rovnoběžný svazek) • je téměř 100 % polarisované v rovině prstence • má velmi výhodnou pulsní strukturu v čase (synchronní detekce) … dnes: fysikální podstata toho všeho ‹#› 16 Proč se staví taková monstrosní zařízení jako zdroj světla? Spektroskopické metody za použití SZ jsou základním nástrojem poznání • v atomové fysice • v chemii • materiálovém výzkumu – elektronové struktury • materiálovém výzkumu – strukturní analyse • v biochemii a biologii Další aplikace SZ • v technologii: litografie (uzavřené laboratoře ~ 1/3 kapacity) • v medicině ANO, ALE PROČ JE SZ TAK ÚŽASNÉ? • intensivní zdroj elmg. záření • spektrální obor od radiofrekvencí do XUV až ultratvrdého RTG (mezní frekvence podle energie elektronů) • záření je vysoce kolimované tečně k prstenci (rovnoběžný svazek) • je téměř 100 % polarisované v rovině prstence • má velmi výhodnou pulsní strukturu v čase (synchronní detekce) … dnes: fysikální podstata toho všeho ‹#› 17 Krátký historický přehled Na Zemi jsou zdroje SZ ojedinělé jako zařízení, kde se setkáme s ultrarelativistickými elektrony v každodenním životě … o tom dále ‹#› 18 Začátky Synchrotron objeven jako urychlovač částic Brzy se ukázalo, že parasitní jev, vyzařování elmg. energie skoro dominuje činnost těchto zařízení Záření jevilo již při relativně nízkých energiích elektronů uvedené vlastnosti a bylo vlastně dost nebezpečné Roku 1949 vypracoval základní teorii SZ Julian Schwinger ( později Nobelova cena za elektroslabé interakce) Již na konci 50 let žebronili nečásticoví fysici, aby mohli SZ využívat. Problémy: pokusy s částicemi a se světlem se špatně slaďovaly, synchrotrony také nebyly ideální zdroje. Proto vznikla myšlenka dedikovaných zdrojů SZ Ta se ujala, protože stejně synchrotrony pro částicovou fysiku ztratily význam. ‹#› 19 Klikatá cesta 1873 1878 1898 1907 1946 1947 1948 1948 1949 1954 Maxwellovy rovnice … nerovnoměrná změna v rozložení nábojů Þ vyzařování elmg. energie Hertz … generace elmg. vln, anténa ® Hertzův dipól Liénard (-Wiechertovy) potenciály …řešení Maxwellových rovnic pro pole vyvolané libovolným pohybem bodového náboje Schott úplné řešení pro zářící náboj na kruhové orbitě (model atomu) … úplně zapomenuto ª ª ª ª Blewett pozoroval ztráty energie u elektronů v betatronu, ale nepozoroval žádné záření Arcimovič a Pomerančuk obnovená teorie záření orbit. elektronu Pollock (vlastně Floyd Haber) náhodně pozorují záření synchrotronu se 70 MeV elektrony Alfvén & Herlofsen a Ginzburg & Šklovskij … SR z Vesmíru Rozvoj radioteleskopie mlhovina Cassiopea A … zdroj SR … Ivaněnko a Sokolov základní teorie SR – na Západě neznámá Schwinger „klasická“ klasická teorie SR Schwinger „klasická“ kvantová teorie SR ‹#› 20 První strana Liénardovy práce jednoduchý, ale netriviální výsledek například skalární potenciál: ‹#› 21 První strana Liénardovy práce jednoduchý, ale netriviální výsledek například skalární potenciál: ‹#› 22 První strana Liénardovy práce jednoduchý, ale netriviální výsledek například skalární potenciál: ‹#› 23 První strana Liénardovy práce jednoduchý, ale netriviální výsledek například skalární potenciál: ‹#› 24 První strana Liénardovy práce jednoduchý, ale netriviální výsledek například skalární potenciál: ‹#› 25 SZ na nebi a na zemi U nebeských objektů je SZ jedním z nejvýznamnějších typů záření netepelného původu … malá exkurse Na Zemi jsou zdroje SZ ojedinělé jako zařízení, kde se setkáme s ultrarelativistickými elektrony v každodenním životě … o tom dále ‹#› 26 SZ ve vesmíru I.: Cassiopea A radiofrekvenční obraz rengenový obraz pozůstatek supernovy z r. 1572 pozorována Tycho Brahem argument proti neměnnosti Vesmíru dnes na místě radiový zdroj ... objeven 1948 jasná místa … SZ SZ vyznačuje dvě rázové vlny: vnější je pozůstatek explose, šíří se rychlostí expanse mlhoviny vnitřní je výsledkem vnitřní srážky dvou vrstev, šíří se pomaleji, ale má teplotu snad 10 000 000 K CXO_CassiopeiaA_m cassA6_cxo_c1 ‹#› 27 SZ ve vesmíru II.: Krabí mlhovina Pozůstatek supernovy z r. 1054 (tenkrát viditelná i za dne) v souhvězdí Taurus (Býk) je to M1 v Messierově katalogu rozpíná se rychlostí 1450 km/s jasná místa … SZ v radiové i viditelné spektrální oblasti uprostřed neutronová hvězda doplňující vyzářenou energii rotuje s periodou 0.031 s Þ silné magnetické pole, v něm letí výtrysky částic Þ SZ od RF po gamma záření s maximem v rtg oblasti ‹#› 28 SZ ve vesmíru II.: Krabí mlhovina 0052_xray KrabM3 Roku 1948 byly objeveny rádiové vlny pocházející z Krabí mlhoviny. Krabí mlhovina nejvíce září v rentgenovém oboru. První pozorování 1963. ‹#› 29 Vznik SZ v synchrotronu (a v prostoru) Když ultrarelativistické elektrony krouží v konstantním magnetickém poli, vyzařují elmg. vlny v kuželi ostře kolimovaném ve směru pohybu. Spektrum záření je kvazispojité. Jeho střed má frekvenci nesrovnatelně vyšší, než je frekvence oběhu elektronu samého. ‹#› 30 Rychlý a pomalý kruhový pohyb elektronu OrbitingElectron KLASICKÝ OBRÁZEK ZE VŠECH UČEBNIC ‹#› 31 OrbitingElectron KLASICKÝ OBRÁZEK ZE VŠECH UČEBNIC při pomalém pohybu elektron na kruhové dráze září jako superposice dvou vzájemně kolmých dipólů, tedy kosinový zářič s okamžitým dipólem kolmým na tečnu ke kruhové dráze vyzařovaná frekvence = 1/ oběžná doba ... cyklotronová nebo Larmorova frekvence Rychlý a pomalý kruhový pohyb elektronu cyklotronové nebo betatronové záření ‹#› 32 OrbitingElectron KLASICKÝ OBRÁZEK ZE VŠECH UČEBNIC při rychlém pohybu elektron na kruhové dráze sám sebe zase vnímá jako superposici dvou vzájemně kolmých dipólů, pozorovatel však vnímá vlny po Lorentzově transformaci, tedy silně kolimované vpřed vyzařované spektrum kvasispojité: vysoké harmonické Larmorovy frekvence Rychlý a pomalý kruhový pohyb elektronu cyklotronové nebo betatronové záření synchrotronové záření při pomalém pohybu elektron na kruhové dráze září jako superposice dvou vzájemně kolmých dipólů, tedy kosinový zářič s okamžitým dipólem kolmým na tečnu ke kruhové dráze vyzařovaná frekvence = 1/ oběžná doba ... cyklotronová nebo Larmorova frekvence 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Ultrarelativistický elektron ‹#› 34 Ultrarelativistický elektron klidová energie elektronu typická energie v synchrotronu typická hodnota 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Princip synchrotronu: Ultrarelativistický elektron na kruhové orbitě ‹#› 36 Princip synchrotronu ~ ~ R B B E E ‹#› 37 Princip synchrotronu ~ ~ R B B E E synchronisované střídavé urychlovací napětí statické magnetické pole kompensuje vyzařovací ztráty urychluje elektrony zakřivuje dráhu elektronu na kruhovou ‹#› 38 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice relativistická označení v B F E E synchronisované střídavé urychlovací napětí statické magnetické pole ‹#› 39 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice relativistická označení v B F E E ‹#› 40 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice relativistická označení v B F E E Larmorova frekvence ‹#› 41 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice relativistická označení v B F E E Larmorova frekvence ‹#› 42 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice v B F E E Larmorova frekvence v ultrarelativistickém případě b ~ 1 b ~ 1 ‹#› 43 Vkládání energie výkon elektrického pole pohybová rovnice počítáme ~ ~ R B B synchronisované střídavé urychlovací napětí E E kompensuje vyzařovací ztráty urychluje elektrony ‹#› 44 synchrotron Synchrotron vs. akumulační prstenec 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Kolimace vyzářené vlny ‹#› 46 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace ‹#› 47 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu ‹#› 48 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu fáze rovinné vlny je invariant ‹#› 49 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu fáze rovinné vlny je invariant ‹#› 50 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování ‹#› 51 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování DOPPLERŮV JEV KOLIMACE V POMĚRU vlastní frekvence záření je ovšem Larmorova frekvence oběhu elektronů … radiofrekvence ta se Dopplerem posune do zhruba viditelné oblasti ‹#› 52 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování DOPPLERŮV JEV KOLIMACE V POMĚRU Svislý svitek: Je to přesně učebnicové odvození aberace a relativistického výrazu pro Dopplerův efekt Fotonová interpretace: vynásobením c máme relativistické skládání rychlostí vlastní frekvence záření je ovšem Larmorova frekvence oběhu elektronů … radiofrekvence ta se Dopplerem posune do zhruba viditelné oblasti Je to přesně učebnicové odvození aberace a relativistického výrazu pro Dopplerův efekt Fotonová interpretace: vynásobením c máme relativistické skládání rychlostí ‹#› 53 Kolimace synchrotronového záření OrbitingElectron KLASICKÝ OBRÁZEK ZE VŠECH UČEBNIC při pomalém pohybu elektron na kruhové dráze září jako superposice dvou vzájemně kolmých dipólů, tedy kosinový zářič s okamžitým dipólem kolmým na tečnu ke kruhové dráze při rychlém pohybu elektron na kruhové dráze sám sebe vnímá jako superposici dvou vzájemně kolmých dipólů, pozorovatel však vnímá vlny po Lorentzově transformaci, tedy silně kolimované vpřed ‹#› 54 Kolimace synchrotronového záření OrbitingElectron KLASICKÝ OBRÁZEK ZE VŠECH UČEBNIC při pomalém pohybu elektron na kruhové dráze září jako superposice dvou vzájemně kolmých dipólů, tedy kosinový zářič s okamžitým dipólem kolmým na tečnu ke kruhové dráze při rychlém pohybu elektron na kruhové dráze sám sebe vnímá jako superposici dvou vzájemně kolmých dipólů, pozorovatel však vnímá vlny po Lorentzově transformaci, tedy silně kolimované vpřed " vidíme elektron i zezadu" skoro všechny kolimovány lépe než na 1 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Spektrální a celková intenzita SR ‹#› 56 Pozorování záblesku SZ od prolétajícího elektronu geometricky je pozorovatel v kolimačním kuželi po dobu přejezdu elektronu obloukem světlo ze vzdálených částí se však opožďuje o dobu letu trvání záblesku = doba přejezdu elektronu obloukem – doba letu fotonů tětivou pozorovatel kolimační úhel ‹#› 57 Doba záblesku a spektrální obor SZ trvání záblesku = doba přejezdu elektronu obloukem – doba letu fotonů tětivou pozorovatel kolimační úhel začátek konec elektron dráha fotonů ‹#› 58 Spektrální obor SZ -- pokračování dobrý odhad charakteristické frekvence použijeme " relací neurčitosti" čas ´ frekvence ~2p … DOSTANEME SE DO VELMI VYSOKÝCH FREKVENCÍ, ZPRAVIDLA V RTG OBLASTI ‹#› 59 Přesný výpočet spektrální intenzity ‹#› 60 Přesný výpočet spektrální intenzity ‹#› 61 Přesný výpočet spektrální intenzity ‹#› 62 Zářivý výkon elektronu za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu ‹#› 63 Zářivý výkon elektronu za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu … tak bychom si to přáli ‹#› 64 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu ‹#› 65 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu ‹#› 66 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Pulsní struktura SR ‹#› 68 Vkládání energie ~ R B B synchronisované střídavé urychlovací napětí kompensuje vyzařovací ztráty E reálný příklad Elektrony přilétají náhodně během periody Jsou urychleny nebo zpomaleny podle okamžité hodnoty pole Jen některé nabudou správné rychlosti Další podléhají chaotickým změnám rychlosti Proces vede k ustálenému rozloženi elektronů kolem orbity ‹#› 69 Pulsní struktura SR Energie elektronů musí přesně odpovídat parametrům prstence Jen uzounký interval vůči střídavému elektrickému poli vede k ustálenému pohybu elektronů ‹#› 70 Pulsní struktura SR Energie elektronů musí přesně odpovídat parametrům prstence Jen uzounký interval vůči střídavému elektrickému poli vede k ustálenému pohybu elektronů ‹#› 71 Pulsní struktura SR Energie elektronů musí přesně odpovídat parametrům prstence Jen uzounký interval vůči střídavému elektrickému poli vede k ustálenému pohybu elektronů Po obvodu prstence se otáčí rychlostí bc soustava elektronových zhustků Jsou od sebe cca 60 cm daleko a jejich rozsah je okolo 1 cm ‹#› 72 Pulsní struktura SR Energie elektronů musí přesně odpovídat parametrům prstence Jen uzounký interval vůči střídavému elektrickému poli vede k ustálenému pohybu elektronů Po obvodu prstence se otáčí rychlostí bc soustava elektronových zhustků Jsou od sebe cca 60 cm daleko a jejich rozsah je okolo 1 cm Jeden Gaussův puls ‹#› 73 Zpět k synchrotronu v Kosmu i na Zemi Jak tedy SR v mlhovinách a v současných zdrojích SR na Zemi vzniká ‹#› 74 Kosmický synchrotron úhel stoupání elektrony se pohybují po spirálách vzorce je nutno trochu upravit PŘÍKLAD: 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Storage Ring (akumulační prstenec): technická realisace ‹#› 76 Elettra Trieste s3d ‹#› 77 Jak to vypadá zblízka (storage ring Doris) DorisBeam zatáčí, svítí nezatáčí, nesvítí děliče, monochromátory beam vakuum bezpečnostní opatření ‹#› 78 Vzorce a odhady ‹#› 79 Spektrální charakteristiky synchrotronů SourcesComparison 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Wigglery a undulátory to wiggle třepat se ‹#› 81 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory • Nejlepší zdroj SZ má co nejvíc rovných úseků spojených ohyby (bends) • Čím menší poloměr tím vyšší mezní frekvence SZ • Nápad: do rovného úseku vložit „frequency shifter“ ‹#› 82 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory • Nejlepší zdroj SZ má co nejvíc rovných úseků spojených ohyby (bends) • Čím menší poloměr tím vyšší mezní frekvence SZ • Nápad: do rovného úseku vložit „frequency shifter“ supravodivý magnet 6 T ‹#› 83 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory • Nejlepší zdroj SZ má co nejvíc rovných úseků spojených ohyby (bends) • Čím menší poloměr tím vyšší mezní frekvence SZ • Nápad: do rovného úseku vložit „frequency shifter“ • Více magnetů za sebou: wiggler ‹#› 84 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory • Nejlepší zdroj SZ má co nejvíc rovných úseků spojených ohyby (bends) • Čím menší poloměr tím vyšší mezní frekvence SZ • Nápad: do rovného úseku vložit „frequency shifter“ • Více magnetů za sebou: wiggler (silné pole) kolimační kužele se nepřekrývají, sčítají se intensity ‹#› 85 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory • Nejlepší zdroj SZ má co nejvíc rovných úseků spojených ohyby (bends) • Čím menší poloměr tím vyšší mezní frekvence SZ • Nápad: do rovného úseku vložit „frequency shifter“ • Více magnetů za sebou: wiggler (silné pole) kolimační kužele se nepřekrývají, sčítají se intensity • Více magnetů za sebou: undulátor (slabé pole) kolimační kužele se překrývají, sčítají se amplitudy, INTERFERENCE! ‹#› 86 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory vtour_p06 ‹#› 87 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory vtour_p06 Makroskopická perioda wiggleru či undulátoru se relativisticky zkracuje na mikroskopickou vlnovou délku rentgenových paprsků relativistický elektron vidí periodu zařízení zkrácenou v poměru 1: g na L/n g Elektron kmitá v un- dulátoru a vyzařuje fotony s vlnovou délkou L/ng . Pozorovatel ji vidí dopplerovsky dále zkrácenou v poměru 1: 2g ‹#› 88 Budoucnost zdrojů SZ Předvedeny byly zdroje SZ třetí generace. Na obzoru je prý už čtvrtá. O té snad někdy příště … Velikášské stroje se tak trochu omrzely. Nový koncept: synchrotron na stole ‹#› 89 Nevýhody velkých synchrotronových instalací z Konstrukční a stavební složitost a rozsáhlost ... cena z Nákladný a složitý provoz: vakuum, magnetické pole, ... z Elektrony s energií řádu GeV ... příliš mnoho záření v celém spektrálním rozsahu ... problémy s odvodem přebytečné energie, plýtvání energií z Složitá organizace využívání z Nadřazená byrokratická struktura – mezinárodní konsorcium, ... z Nutnost dojíždět – z Prahy do Grenoblu například: cesta, hotel, ... z Nepružnost: žádost o přidělení času dlouho dopředu, nemožnost jeho rozšíření na místě, převoz vzorků ve vakuu/ v kryostatu, ... z Odloučenost od výuky 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Nové koncepce pro SZ: "kapesní" zdroje záření ‹#› 91 Jak uchovat kritickou frekvenci, ale ostatní zmenšit Vodítko – vývoj velkých zdrojů SZ kruhový prstenec à mnoho bendů (zaoblených rohů) à wigglery a undulátory HEURISTIKA Þ kdybychom pořádně zmenšili R, mohlo by i g být menší ‹#› 92 Jak uchovat kritickou frekvenci, ale ostatní zmenšit Vodítko – vývoj velkých zdrojů SZ kruhový prstenec à mnoho bendů (zaoblených rohů) à wigglery a undulátory HEURISTIKA Þ kdybychom pořádně zmenšili R, mohlo by i g být menší DVĚ CESTY již komercializované rozptyl elektrono-vého svazku na laserovém svazku atomech guru Ronald Ruth Hironari Yamada komerční označení LYNCEAN CLS MIRRORCLE země USA Japonsko DVĚ CESTY již (téměř) komercializované 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Rozptyl na stojaté laserové vlně ‹#› 94 Rozptyl na laserovém svazku cls ‹#› 95 Rozptyl na laserovém svazku cls • vzpomínka na rozptyl atomů a molekul na světelné mřížce • světlo tvoří "wiggler" s periodou 1 mm • pro vznik rtg paprsků stačí E= 30 MeV ‹#› 96 Vzpomínka na wiggler I.relativistický elektron vidí nalétávat měkký foton. V jeho souřadné soustavě je frekvence dopplerovsky posunutá II. II. II.tento foton se elasticky rozptýlí. Pozorovatel vidí další dopplerovský posun Rozptyl na laserovém svazku ‹#› 97 Vzpomínka na wiggler I.relativistický elektron vidí nalétávat měkký foton. V jeho souřadné soustavě je frekvence dopplerovsky posunutá II. II. II.tento foton se elasticky rozptýlí. Pozorovatel vidí další dopplerovský posun Rozptyl na laserovém svazku Alternativní pohled (vlastně QED) INVERSNÍ COMPTONŮV ROZPTYL ‹#› 98 Vzpomínka na wiggler I.relativistický elektron vidí nalétávat měkký foton. V jeho souřadné soustavě je frekvence dopplerovsky posunutá II. II. II.tento foton se elasticky rozptýlí. Pozorovatel vidí další dopplerovský posun Rozptyl na laserovém svazku Alternativní pohled (vlastně QED) INVERSNÍ COMPTONŮV ROZPTYL e COMPTON ‹#› 99 Vzpomínka na wiggler I.relativistický elektron vidí nalétávat měkký foton. V jeho souřadné soustavě je frekvence dopplerovsky posunutá II. II. II.tento foton se elasticky rozptýlí. Pozorovatel vidí další dopplerovský posun Rozptyl na laserovém svazku Alternativní pohled (vlastně QED) INVERSNÍ COMPTONŮV ROZPTYL e COMPTON e INVERSNÍ COMPTON 22. 2. 2006 OFy025 I.: Měřítka kvantového světa ‹#› Rozptyl na atomovém terčíku (folii) ‹#› 101 Rozptyl na atomovém terčíku Nakreslil sám Yamada • Není to brzdné záření, ale elastická deflexe doprovázená zářením • Filosofická otázka: je to synchrotron? • Terčík je tak malý, že dojde jen k jednomu rozptylu, elektron se zotaví a vrátí do svazku. Na jednu injekci mnoho oběhů • Energie elektronů 20 MeV, podobné jako u Comptona, relativistická kolimace je horší, ale nastává ‹#› 102 Mirrorcle 20 ve skutečnosti ‹#› 103 Budoucnost SZ pro nás zde v Praze Obr. 1 půdorys synchrotronu Zařazeno do plánu MTZ na MFF v Praze, ale už nějak dlouho ‹#› 104 Budoucnost SZ pro nás zde v Praze a v Brně Obr. 1 půdorys synchrotronu Proslýchá se, že v Brně bude vybudován velký storage ring s charakteristickou energií několika GeV za peníze z fondů Evropské Unie Zařazeno do plánu MTZ na MFF v Praze, ale už nějak dlouho ‹#› 105 Budoucnost SZ pro nás zde v Praze a v Brně Obr. 1 půdorys synchrotronu Proslýchá se, že v Brně bude vybudován velký storage ring s charakteristickou energií několika GeV za peníze z fondů Evropské Unie Zařazeno do plánu MTZ na MFF v Praze, ale už nějak dlouho ‹#› The end