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La Luce di Sincrotrone La Luce di Sincrotrone generalita ed alcune applicazioni M. Benfatto Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN.

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Presentazione sul tema: "La Luce di Sincrotrone La Luce di Sincrotrone generalita ed alcune applicazioni M. Benfatto Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN."— Transcript della presentazione:

1 La Luce di Sincrotrone La Luce di Sincrotrone generalita ed alcune applicazioni M. Benfatto Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN

2 Programma del seminario Generalita e caratteristiche fondamentali Diffrazione Assorbimento di raggi X da stati profondi

3 La radiazione elettromagnetica (e.m.) e stata ed e attualmente uno dei principali mezzi di indagine per lo studio delle proprieta della materia. Il sistema in esame e debolmente perturbato La radiazione e.m. si accoppia debolmente con la materia =1/137 La radiazione e.m. si manipola facilmente

4 Onde radio visibilesoft X-rays hard X-rays gamma rays casacellule Molecole/atominuclei sincrotrone neutroni elettroni … inoltre si puo facilmente accedere a scale di lunghezze estremamente differenti semplicemente cambiando lenergia dei fotoni

5 La luce di sincrotrone e radiazione elettromagnetica come si genera ? velocita accelerazione Il campo elettrico di una carica che si muove di moto arbitrario e formato da due pezzi

6 Il termine dipendente dall accelerazione genera la radiazione e.m. che noi osserviamo – stesso meccanismo che si verifica nelle attenne radio dove le cariche (gli elettroni del metallo) oscillano periodicamente La potenza totale irradiata su tutto langolo solido risulta essere dove proporzionale al quadrato dell accelerazione

7 Per moti circolari raggio orbita A velocita relativistica la radiazione emessa appare ad un osservatore tutta concentrata in un cono piccolissimo < 1 mrad

8 Elettroni Radiazione di sincrotrone Elettroni Magnete curvante

9 Distribuzione spettrale c e un lunghezza donda critica che e inversamente proporzionale al quadrato dell energia della macchina. Per DA NE e circa 38 Å che equivalgono a circa 320 eV. notare lo spettro quasi continuo

10 Numero di fotoni – la brillanza notare che il numero di Avogadro e 10 23

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12 Caratteristiche LdS Alta brillanzaAlta brillanza Spettro continuo dallinfrarosso ai raggi X duriSpettro continuo dallinfrarosso ai raggi X duri Emissione pulsata – impulsi di circa 100 psEmissione pulsata – impulsi di circa 100 ps inoltre Polarizzazione ben definita, stabilita del fascio, facilita di manipolazione …

13 Un po di storia Fisica delle particelle Radiazione di Sincrotrone Primi acceleratori Verso energie piu alte Costruzione delle macchine dedicate In Italia parte ufficialmente il progetto PULS (Progetto Utilizzazione Luce di Sincrotrone) nel 1975 con luso di ADONE - Prime ricerche sulla spettroscopia di assorbimento di raggi X da stati profondi Prime osservazioni di LdS fatte da Herb Pollock, Robert Langmuir, Frank Elder and Anatole Gurewitsch alla General Electric Research Laboratory, Schenectady, New York con un sincrotrone di 70 MeV

14 Attualmente circa 40 macchine dedicate ed altre in costruzione

15 ESRF – European Synchrotron Radiation Facility

16 ESRF e una cooperazione di 16 paesi europei – LItalia partecipa al 15%. Budget annuale ~ 63 Meuro LItalia ha progettato e costruito la linea GILDA E situato a Grenoble

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18 magnete curvante ondulatore anello di accumulazione

19 cabina di controllo sala sperimentale sala delle ottiche anello di accumulazione

20 Dove si utilizza Scienze dei materiali biologia Scienze dellambiente medicina fisica chimica

21 alcuni esperimenti Golden-rule di Fermi

22 Diffrazione cristallo insieme ordinato di atomi – e una ripetizione tridimensinale di una unita elementare (cella unitaria) di atomi o melecole. a1a1 a2a2 rnrn n atomi per cella unitaria definiti dai vettori r 1 …r n La posizione della cella rispetto ad un sistema di riferimento e definita da 3 interi m 1,m 2,m 3

23 O P kiki kfkf atomo Processo fisico: urto elastico della luce con la nuvola elettronica dellatomo fattore di forma atomico Bisogna sommare su tutti gli n-atomi della cella unitaria e su tutte le celle unitarie M che compongono il cristallo Si misura lintensita I del campo elettrico nel punto P di osservazione

24 Dove I 0 e lintensita del campo elettrico incidente mentre F e il fattore di struttura - N 1 N 2 N 3 =M Somma sugli atomi della cella unitaria – indice n

25 detector crystal Le funzioni del tipo danno origine a picchi ben definiti Legge di Bragg 2d sin = n angolo di incidenza rispetto al piano reticolare n intero d distanza tra piani reticolari lunghezza donda kiki kfkf

26 Viene misurata lintensita diffratta in funzione dellangolo Da questi dati si possono ricostruire delle mappe di densita di carica – posizione degli atomi.

27 Caratteristiche principali Informazioni geometriche di lungo range Necessita di avere un cristallo o almeno un qualche tipo di ordine Tecnica estremamente ben consolidata sia sperimentalmente che teoricamente

28 Nei moderni sincrotroni la diffrazione viene principalmente usata per lo studio di strutture proteiche molti atomi per cella unitaria - poche celle unitarie - cristalli piccolissimi Modalita alla Laue: si raccoglie lo spettro contemporaneamente per molti valori di – compreso tra due valori.

29 In questa maniera si riescono ad ottenere informazioni sulla struttura delle proteine Struttura del capside del virus dellepatite B delluomo Si e sfruttata la brillanza e la tunabilitadella LdS Un gomitolo del diametro di circa 130 Å e con spirali lunghe circa 25 Å.

30 A)4 nanosecondi B)1 s C)7.5 s D)50.5 s E)350 s F)1.9 ms Cristallografia di proteine risolta in tempo – distacco ed evoluzione della molecola di CO nella mioglobina. Si e anche sfruttata la struttura temporale della LdS

31 Geologia

32 Assorbimento raggi X - XAS dx I0I0 I dI= (E) I dx I=I 0 e - (E)x Si misura I in funzione dellenergia dei fotoni incidenti

33 Schema tipico esperimento XAS Raggi x policromatici Raggi x monocromatici sincrotrone I0I0 I campione

34 1s 2s 2p 1/2 2p 3/2 3s K L1L1 L2L2 L3L3 X-ray Ionisation threshold Processo fisico : eccitazione di un elettrone dagli stati profondi

35 Il coefficiente di assorbimento puo essere scritto come Lelettrone fotoemesso urta con gli atomi circostanti prima di ritornare a quello assorbente

36 K-edges (eV) Fe 7111 Co 7709 Ni 8333 Cu 8979 Zn 9659 Caratteristiche Caratteristiche : Specificita atomica Informazioni strutturali tridimensionali nellintorno di qualche decina di angstrom dallatomo fotoassorbitore. T.F.

37 Caratteristiche principali Nessuna necessita di cristalli Selettivita atomica Informazioni di corto range Maggiore laboriosita interpretativa

38 Un esempio

39 Un secondo esempio Studio del sito locale di una proteina che controlla la concentrazione del ferro nei batteri Gram-negativi

40 ... e molte altre applicazioni: dallimaging alla litografia per micromeccanica Da applicazioni utili allindustria a quelle di tipo medico e nel campo della storia dellarte. Particolare di un osso di topo – dimensioni 1.8 m

41 Sviluppi futuri (possibili) Migliore uso delle attuali sorgenti: ottiche, rivelatori... Sorgenti di 4 th generazione: FEL Si cerca di aumentare la brillanza - le macchine in progetto hanno una brillanza media circa 1000 volte piu alta di quelle attuali! A frascati si e ricostituito un gruppo di LdS per luso della luce proveniente da DA NE

42 Ringraziamenti (in ordine sparso) Il gruppo Da ne-L; in particolare A. Marcelli E. Pace A.Raco Manolo Sanchez Del-Rio del laboratorio ESRF D. Babusci dei LNF


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