V. Synchrotronové záření KOTLÁŘSKÁ 19. BŘEZNA 2014 F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2013 - 2014 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 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 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 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 činnosti 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 technik Floyd Haber) náhodně pozorují záření synchrotronu se 70 MeV elektrony Alfvén & Herlofsen a Ginzburg & Šklovskij … SR z Vesmíru Rozvoj radioteleskopie Krabí mlhovina … 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: Heavisideovy jednotky 25 První strana Liénardovy práce jednoduchý, ale netriviální výsledek například skalární potenciál: 26 První strana Liénardovy práce jednoduchý, ale netriviální výsledek například skalární potenciál: 27 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 28 M 1 l SZ ve vesmíru: Krabí mlhovina 29 M 1 l 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 SZ ve vesmíru: Krabí mlhovina 30 Pozůstatek supernovy z r. 1054 (tenkrát viditelná i za dne) v souhvězdí Taurus (Býk) je to M1 v Messierově katalogu z r.1774 Nejznámější, zcela typický případ zdroje synchrotronového záření přicházejícího z vesmíru jarni-souhvezdi4.jpg M 1 l 31 SZ ve vesmíru: Krabí mlhovina Pozůstatek supernovy z r. 1054 (tenkrát viditelná i za dne) v souhvězdí Taurus (Býk) jM1 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 32 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 33 crabComposite.jpg Složený snímek: • Fialově : IR obraz ze Spitzeru • Červeně a žlutě: 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. Chandra X-Ray Space Laboratory 34 CXO: Schematic & Specifications - Craft Only http://chandra.harvard.edu/graphics/resources/illustrations/cxcmirrors-72.jpg Chandra X-Ray Space Laboratory 35 http://chandra.harvard.edu/graphics/resources/illustrations/cxcmirrors-72.jpg Spitzer Space Telescope 36 http://spitzer.caltech.edu/file/111-CTA-Cryostat Pětiúhelník: dalekohled dalekohled He kryostat IR přístrojový blok vlažná elektronika vnější plášť 37 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. 38 Rychlý a pomalý kruhový pohyb elektronu OrbitingElectron KLASICKÝ OBRÁZEK ZE VŠECH UČEBNIC 39 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 40 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 42 Ultrarelativistický elektron klidová energie elektronu typická energie v synchrotronu typická hodnota 43 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 45 Princip synchrotronu ~ ~ R B B E E 46 Princip synchrotronu ~ ~ R B B E E synchronisované střídavé urychlovací napětí statické magnetické pole kompensuje vyzařovací ztráty urychluje elektrony zakřivuje dráhu elektronu na kruhovou 47 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 48 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice relativistická označení v B F E E 49 Elektron na kruhové dráze ~ ~ R B B dráha elektronu Lorentzova síla, pohybová rovnice Larmorova frekvence v B F E E relativistická označení 50 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 51 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 53 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace 54 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu 55 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu fáze rovinné vlny je invariant 56 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu fáze rovinné vlny je invariant 57 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu fáze rovinné vlny je invariant •Dosadíme na pravé straně z Lorentzovy transformace •Použijeme metody neurčitých koeficientů 58 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem elektron pozorovatel v Lorentzova transformace oba vidí stejnou vlnu fáze rovinné vlny je invariant 59 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování 60 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování DOPPLERŮV JEV KOLIMACE V POMĚRU 61 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování KOLIMACE V POMĚRU S l n S’ l n’ 62 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování KOLIMACE V POMĚRU Je to přesně učebnicové odvození aberace a relativistického výrazu pro Dopplerův efekt Fotonová interpretace: vynásobením c máme relativistické skládání rychlostí 63 Vlna vysílaná pohyblivým zdrojem, pokračování DOPPLERŮV JEV KOLIMACE V POMĚRU vlastní frekvence záření je 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 64 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 65 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 OrbitingElectron 66 Kolimace synchrotronového záření 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 Spektrální a celková intenzita SR 68 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 69 Doba záblesku a spektrální obor SZ trvání záblesku = doba přejezdu elektronu obloukem – doba letu fotonů tětivou pozorovatel kolimační úhel začátek konec elektron dráha fotonů 70 Spektrální obor SZ -- pokračování dobrý odhad charakteristické frekvence použijeme " relací neurčitosti" čas ´ frekvence ~2p … DOSTANEME SE DO VELMI VYSOKÝCH FREKVENCÍ, ZPRAVIDLA V RTG OBLASTI 71 Přesný výpočet spektrální intenzity 72 Přesný výpočet spektrální intenzity 73 Přesný výpočet spektrální intenzity 74 Zářivý výkon elektronu za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu 75 Zářivý výkon elektronu za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu … tak bychom si to přáli 76 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu 77 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu 78 Počet vyzářených fotonů za jednotku času Za jeden oběh Hierarchie energií jeden foton ztráty za jeden oběh energie elektronu Pulsní struktura SR 80 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 81 Pulsní struktura SR Energie elektronů musí přesně odpovídat parametrům prstence Jen uzounký interval vůči střídavému elektrickému poli vede k ustálenému pohybu elektronů 82 Pulsní struktura SR Energie elektronů musí přesně odpovídat parametrům prstence Jen uzounký interval vůči střídavému elektrickému poli vede k ustálenému pohybu elektronů 83 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 84 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 85 Zpět k synchrotronu v Kosmu i na Zemi Jak tedy SR v mlhovinách a v současných zdrojích SR na Zemi vzniká 86 Kosmický synchrotron úhel stoupání elektrony se pohybují po spirálách vzorce je nutno trochu upravit PŘÍKLAD: Krabí mlhovina: Spektrální charakteristika odpovídá SZ 87 Krabí mlhovina: barevný kód vlevo ukazuje polarisaci záření 88 See Explanation. Clicking on the picture will download the highest resolution version available. crabComposite.jpg http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0608524v1.pdf Storage Ring (akumulační prstenec): technická realisace 90 Elettra Trieste s3d 91 Jak to vypadá zblízka (storage ring Doris) DorisBeam zatáčí, svítí nezatáčí, nesvítí děliče, monochromátory beam vakuum bezpečnostní opatření 92 Vzorce a odhady 93 Spektrální charakteristiky synchrotronů SourcesComparison Wigglery a undulátory to wiggle třepat se 95 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“ 96 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 97 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 98 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 99 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! 100 Za krátkými vlnovými délkami: wigglery a undulátory vtour_p06 101 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 Chlazený vakuový undulátor (ESRF) 102 http://www.esrf.eu/files/live/sites/www/files/UsersAndScience/Publications/Highlights/2008/machine/ Figure172.jpg Spektrální jas různých zdrojů RTG záření 103 http://xdb.lbl.gov/Section2/Image_Sec2/Sec2154.gif Spektrální jas různých zdrojů RTG záření 104 http://xdb.lbl.gov/Section2/Image_Sec2/Sec2154.gif Lasery na volných elektronech 105 Budoucnost zdrojů SZ Předvedeny byly zdroje SZ třetí generace. Na obzoru je už čtvrtá. O té snad někdy příště … Velikášské stroje se tak trochu omrzely. Nový koncept: synchrotron na stole 106 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 108 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 109 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 111 Rozptyl na laserovém svazku cls 112 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 113 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 114 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 115 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 116 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 Lyncean CLS 117 The Compact Light Source Rozptyl na atomovém terčíku (folii) 119 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 120 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 121 C:\Users\vel\Documents\Brno11\B05Synchrotron\What's MIRRORCLE-Photon Production Laboratory,Ltd_files\MIRRORCLE_Model_e.jpg MIRROCLE Bremsstrahlung generating machanism Perturbator effect The end