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SURFACE STRUCTURE/5 Synchrotron radiation:production and properties.

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Presentazione sul tema: "SURFACE STRUCTURE/5 Synchrotron radiation:production and properties."— Transcript della presentazione:

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2 SURFACE STRUCTURE/5 Synchrotron radiation:production and properties

3 La Luce di Sincrotrone: Produzione, proprietà, applicazioni in scienza delle superfici ELETTRA (2 r260 m) ESRF r844 m)

4 References 1)Giorgio Margaritondo, Introduction to Synchrotron Radiation, Oxford University, )Giorgio Margaritondo, A Primer in synchrotron radiation: Everything you wanted to know about SEX (Synchrotron Emission of X-rays) but were afraid to ask, J. Synchr. Rad. 2 (1995) )Giorgio Margaritondo, Synchrotron Light in a Nutshell, sb3.epfl.ch/gm-perso.data/margaritondo4.pdf 4)Robert Z. Bachrach (Ed.), Synchrotron Radiation Research, Advances in Surface and Interface Science, Vol. 1, Plenum, )Wolfgang Eberhardt (Ed.), Applications of Synchrotron Radiation, Springer, )Tsun-Kong Sham (Ed.), Chemical Applications of Synchrotron Radiation (2 Voll.), World Scientific, 2002.

5 La Luce di Sincrotrone (LDS) La luce di sincrotrone è la radiazione elettromagnetica emessa da elettroni o positroni che si muovono a velocità relativistiche lungo traiettorie curve, con raggio di curvatura GRANDE -effetti quantistici trascurabili -in pratica: raggi di curvatura dellordine dei metri o delle decine di metri

6 II generazione: anni 70/80 III generazione: fine anni 80 - oggi 51 sorgenti funzionanti (40 dedicate) 12 in costruzione 10 in fase di progettazione

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8 Quali sono le proprietà che rendono interessante la LDS? -struttura temporale -ampia distribuzione spettrale -altissima intensità e brillanza -polarizzazione -coerenza

9 Come viene prodotta la LDS: Anelli di accumulazione (Storage Rings, SR) F L =(-e/c)vxB

10 IL LINAC

11 cannone elettronico LINAC booster transfer line

12 SR settore magnetico ID Quadrupolo

13 Parametri Caratterizzanti di un Anello di Accumulazione 1) Corrente del fascio (mA). Valori tipici: mA. tipico =50-500m; v~c => elettroni 2) Energia del fascio (GeV). Valori tipici: 0.1 (VUV)-10 (X duri) GeV; spesso espressa in funzione di 3) Energia di iniezione 4) Numero N b di pacchetti (bunches) circolanti e loro lunghezza; Valori tipici: N b =1 (single bunch)-500 (multi bunch) L =c t centimetri; nanosecondi

14 5) Dimensioni del fascio x e z ; valori tipici mm (1 deviazione standard lungo le due coordinate) 2 x 2 z

15 6) raggio di curvatura ; valori tipici dellordine dei m =CE/B R

16 7) Tempo di vita del fascio b (beam lifetime); valori tipici: ore tempo durante il quale I=(1/e)I 0 8) Pressione nellanello; valori tipici mbar

17 9) Perdita di energia per ciclo per elettrone E p ; valori tipici: keV 10) Frequenza rf della cavità a radiofrequenza; valori tipici dellordine dei MHz rf =h A (2 /T 0 ) h A - numero armonico dellanello (intero); N b h A T 0 - tempo per un ciclo ~ sec 0 voltaggio cavità rf tempo

18 LDS Da magnete curvante (Bending magnet) Da insertion device (ondulatore e wiggler) Parametri della sorgente: brillanza spettrale (brightness, brilliance), flusso spettrale, potenza irradiata, spettro (picco e larghezza di banda), distribuzione angolare, struttura temporale, polarizzazione, coerenza.

19 Brillanza spettrale dn 0.1% = numero di fotoni emessi dallarea dxdz della sorgente posta in (x, z) nellintervallo spettale h =0.1%h, centrato allenergia del fotone h, entro un angolo solido d nella direzione definita dagli angoli e nellintervallo di tempo dt. b - numero di fotoni emessi nellampiezza di banda frazionaria 0.1% ad h, normalizzata rispetto alla corrente dellanello, allarea della sorgente, allangolo solido ed al tempo. valori tipici: fotoni sec -1 mm -2 mrad -2 mA %bw

20 ELETTRA

21 Talvolta è più utile il flusso spettrale N: integrale di b esteso allarea totale della sorgente e agli angoli verticali unità di misura: fotoni sec -1 mrad -1 mA -1, 0.1% bw Polarizzazione lineare - nel piano dellorbitaellittica - fuori dal piano grado di polarizzazione linearegrado di polarizzazione circolare

22 Distribuzione spettrale della radiazione da magnete curvante energia critica

23 Tipico profilo a dorso di balena….

24 Perché il range spettrale è così ampio? Si dimostra con relativa semplicità che - a causa del cono di emissione ristrettissimo- la durata di un impulso di luce visto da un rivelatore puntiforme nel piano dellorbita è: Per E=2.5 GeV si calcola che =5025 eV: Per il principio di indeterminazione: dello stesso ordine di grandezza di E C !

25 Distribuzione angolare dellemissione da magnete curvante Applicando la trasformazione galileiana della velocità: Caso classico: es. onda sonora

26 LUCE In S: Nel piano dellorbita: /

27 In L, ovvero: Ti guardiamo noi, della razza di chi rimane a terra. Montale, Ossi di seppia, Falsetto Velocità relativistiche della sorgente => trasformate di Lorentz posizione - tempo momento - energia

28 Problema: un raggio di luce che si muove lungo S in S, che direzione L ha in L? A partire dalle trasformazioni di Lorentz per momento ed energia, è facile dimostrare (cfr. Margaritondo, SEX), che la relazione tra L e S è: per S = /4, =5025 (anello da 2.5 GeV), L =0.08 mrad!!! Si dimostra che che si annulla per che quindi determina lampiezza angolare del fascio.

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30 Proprietà della radiazione da ondulatore e wiggler

31 Contrazione di Lorentz Shift di Doppler Lungo lasse dellondulatore:

32 Per un anello di accumulazione da 2.5 GeV: L=5 cm L =10 Å; E=1240 eV La lunghezza donda dipende dal campo magnetico B (clamshell undulator) Lemissione non è strettamente monocromatica, ma dipende da In realtà:

33 Linsieme di N periodi magnetici agisce da reticolo di diffrazione Distribuzione spettrale della radiazione da ondulatore (effetto della combinazione coerente delle onde emesse da ciascun periodo) per la I armonica:

34 Distribuzione angolare della radiazione da ondulatore Consideriamo bB 2 <<1 per semplicità. Ad un angolo da =0, da si ricava: da cui:

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37 Dallanello alle stazioni sperimentali: beamlines


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