V. Synchrotronové záření KOTLÁŘSKÁ 28. BŘEZNA 2012 F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2011 - 2012 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 • Je to jednoznačný případ, kdy STR v pozemských podmínkách je dominantní, ne jen nějaká oprava 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 Rozšíření "photon factories" ve světě Hlavní hnízda: USA & Kanada Evropa & Rusko Asie Japonsko 5 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 6 7 8 esrf synchrotron akumulační prstenec lineární urychlovač urychlovací synchrotron svazek záření Linac Booster synchrotron 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: výzkum, diagnostika, terapie 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: výzkum, diagnostika, terapie 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: výzkum, diagnostika, terapie 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: výzkum, diagnostika, terapie 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: výzkum, diagnostika, terapie 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: výzkum, diagnostika, terapie 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: výzkum, diagnostika, terapie 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: výzkum, diagnostika, terapie 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 1947 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: POLE ELEKTRICKÉ A MAGNETICKÉ VYTVÁŘENÉ ELEKTRICKÝM NÁBOJEM SOUSTŘEDĚNÝM DO BODU A POHÁNĚNÉ JEHO POHYBEM 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 První strana Liénardovy práce jednoduchý, ale netriviální výsledek například skalární potenciál: 26 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 SZ ve vesmíru: Krabí mlhovina 27 Pozůstatek supernovy z r. 1054 (tenkrát viditelná i za dne) v souhvězdí Taurus (Býk) je to M1 v Messierově katalogu z r.1774 Je to nejznámější, ale typický případ zdroje synchrotronového záření přicházejícího z vesmíru jarni-souhvezdi4.jpg SZ ve vesmíru: Krabí mlhovina 28 Pozůstatek supernovy z r. 1054 (tenkrát viditelná i za dne) v souhvězdí Taurus (Býk) je to M1 v Messierově katalogu z r.1774 Je to nejznámější, ale typický případ zdroje synchrotronového záření přicházejícího z vesmíru jarni-souhvezdi4.jpg M 1 l 29 SZ ve vesmíru: Krabí mlhovina Pozůstatek supernovy z r. 1054 (tenkrát viditelná i za dne) v souhvězdí Taurus (Býk) je to M1 v Messierově katalogu z r.1774 rozpíná se rychlostí 1450 km/s modrá 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 snímek Hubble 30 SZ ve vesmíru : Krabí mlhovina 0052_xray KrabM3 Roku 1948 byly zachyceny rádiové vlny pocházející z Krabí mlhoviny, hned po objevení Cassiopeia A. Krabí mlhovina nejvíce září v rentgenovém oboru. První pozorování 1963. Tento snímek Chandra X-Ray Observatory 2008 SZ ve vesmíru : Krabí mlhovina 31 crabComposite.jpg Složený snímek: • Fialově : optický obraz z Hubbla, • Modře: rtg. snímek z Chandry. • Modrá oblast je menší, protože elektrony se zpomalí a pak už tolik nezáří v rtg. oboru. Úhlový rozměr je 5 minut Vzdálenost ~ 6000 sv.r. Průměr ~ 9 sv.r. SZ ve vesmíru : Krabí mlhovina 32 Spektrální charakteristika odpovídá SZ 33 fg4.gif Vlevo: barevný kód ukazuje polarisaci záření 34 See Explanation. Clicking on the picture will download the highest resolution version available. crabComposite.jpg 35 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. 36 Rychlý a pomalý kruhový pohyb elektronu OrbitingElectron KLASICKÝ OBRÁZEK ZE VŠECH UČEBNIC 37 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 38 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 Ultrarelativistický elektron 40 Ultrarelativistický elektron klidová energie elektronu typická energie v synchrotronu typická hodnota 41 L4Slide10 ZÁSOBNÍK VZORCŮ LIMITY (explicitní hodnoty platí pro elektrony) nerelativistická předěl ultrarelativistická Realistické vlnové délky elektronů v synchrotronu Princip synchrotronu: Ultrarelativistický elektron na kruhové orbitě 43 Princip synchrotronu ~ ~ R B B E E 44 Princip synchrotronu ~ ~ R B B E E synchronisované střídavé urychlovací napětí statické magnetické pole kompensuje vyzařovací ztráty urychluje elektrony zakřivuje dráhu elektronu na kruhovou 45 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 46 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice relativistická označení v B F E E 47 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice Larmorova frekvence v B F E E relativistická označení 48 Ultrarelativistický elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice v ultrarelativistickém případě b ~ 1 Larmorova frekvence v B F E E relativistická označení 49 Vkládání energie výkon elektrického pole pohybová rovnice počítáme ~ ~ R B B synchronisované střídavé urychlovací napětí E E kompensuje vyzařovací ztráty urychluje elektrony Kolimace vyzářené vlny 51 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace 52 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu 53 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu fáze rovinné vlny je invariant 54 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu fáze rovinné vlny je invariant 55 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování 56 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 57 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 58 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 59 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 60 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" Spektrální a celková intenzita SR 62 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 63 Doba záblesku a spektrální obor SZ trvání záblesku = doba přejezdu elektronu obloukem – doba letu fotonů tětivou pozorovatel kolimační úhel začátek konec elektron dráha fotonů 64 Spektrální obor SZ -- pokračování dobrý odhad charakteristické frekvence použijeme " relací neurčitosti" čas ´ frekvence ~2p … DOSTANEME SE DO VELMI VYSOKÝCH FREKVENCÍ, ZPRAVIDLA V RTG OBLASTI 65 Přesný výpočet spektrální intenzity 66 Přesný výpočet spektrální intenzity 67 Přesný výpočet spektrální intenzity 68 Zářivý výkon elektronu za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu 69 Zářivý výkon elektronu za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu … tak bychom si to přáli 70 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu 71 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu 72 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu Pulsní struktura SR 74 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 75 Pulsní struktura SR Energie elektronů musí přesně odpovídat parametrům prstence Jen uzounký interval vůči střídavému elektrickému poli vede k ustálenému pohybu elektronů 76 Pulsní struktura SR Energie elektronů musí přesně odpovídat parametrům prstence Jen uzounký interval vůči střídavému elektrickému poli vede k ustálenému pohybu elektronů 77 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 78 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 79 Zpět k synchrotronu v Kosmu i na Zemi Jak tedy SR v mlhovinách a v současných zdrojích SR na Zemi vzniká 80 Kosmický synchrotron úhel stoupání elektrony se pohybují po spirálách vzorce je nutno trochu upravit PŘÍKLAD: Krabí mlhovina: Spektrální charakteristika odpovídá SZ 81 Storage Ring (akumulační prstenec): technická realisace 83 Elettra Trieste s3d 84 Jak to vypadá zblízka (storage ring Doris) DorisBeam zatáčí, svítí nezatáčí, nesvítí děliče, monochromátory beam vakuum bezpečnostní opatření 85 Vzorce a odhady 86 Spektrální charakteristiky synchrotronů SourcesComparison Wigglery a undulátory to wiggle třepat se 88 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“ 89 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 90 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 91 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 92 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! 93 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory vtour_p06 94 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 95 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 96 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 Nové koncepce pro SZ: "kapesní" zdroje záření 98 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 99 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 Rozptyl na stojaté laserové vlně 101 Rozptyl na laserovém svazku cls 102 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 103 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 104 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 105 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 106 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 Rozptyl na atomovém terčíku (folii) 108 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 Mirrorcle zařízení 109 C:\Users\vel\Documents\Brno11\B05Synchrotron\What's MIRRORCLE-Photon Production Laboratory,Ltd_files\MIRRORCLE_Model_e.jpg MIRROCLE Bremsstrahlung generating machanism Perturbator effect Mirrorcle zařízení 110 C:\Users\vel\Documents\Brno11\B05Synchrotron\What's MIRRORCLE-Photon Production Laboratory,Ltd_files\MIRRORCLE_Model_e.jpg MIRROCLE Bremsstrahlung generating machanism Perturbator effect 111 Budoucnost SZ pro nás zde v Praze Obr. 1 půdorys synchrotronu Zařazeno do plánu MTZ na MFF v Praze, ale už nějak dlouho 112 Budoucnost SZ pro nás zde v Praze a v Brně Obr. 1 půdorys synchrotronu Zařazeno do plánu MTZ na MFF v Praze Proslýchá se, že v Brně bude vybudován velký storage ring s charakteristickou energií několika GeV za peníze z fondů Evropské Unie The end