مصدر ضوء السنكروترون

مصدر ضوء السنكروترون هو مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي ، يُنتج عادةً بواسطة حلقة تخزين ، لأغراض علمية وتقنية. رُصد ضوء السنكروترون لأول مرة في السنكروترونات ، ويُنتج الآن بواسطة حلقات التخزين ومسرعات الجسيمات المتخصصة الأخرى ، والتي تُسرّع عادةً الإلكترونات . بمجرد توليد حزمة الإلكترونات عالية الطاقة، تُوجّه إلى مكونات مساعدة مثل مغانط الانحناء وأجهزة الإدخال ( المموجات أو المذبذبات ) في حلقات التخزين وليزر الإلكترون الحر . تُوفّر هذه المكونات المجالات المغناطيسية القوية العمودية على الحزمة، وهي ضرورية لتحفيز الإلكترونات عالية الطاقة على إصدار الفوتونات . ^{[ 1 ]}

تُستخدم أشعة السنكروترون بشكل رئيسي في فيزياء المادة المكثفة ، وعلوم المواد ، وعلم الأحياء ، والطب . ويركز جزء كبير من التجارب التي تستخدم هذه الأشعة على دراسة بنية المادة، بدءًا من مستوى النانومتر الفرعي للبنية الإلكترونية وصولًا إلى مستويات الميكرومتر والمليمتر، وهي مستويات بالغة الأهمية في التصوير الطبي . ومن الأمثلة على التطبيقات الصناعية العملية تصنيع البنى الميكروية باستخدام تقنية LIGA .

يُعد السنكروترون أحد أغلى أنواع مصادر الضوء المعروفة، ولكنه عمليًا المصدر الضوئي الوحيد القابل للتطبيق للإشعاع واسع النطاق في نطاق الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء البعيدة لبعض التطبيقات، مثل قياس الطيف الامتصاصي للأشعة تحت الحمراء البعيدة.

يُشار إلى المقياس الأساسي المستخدم لمقارنة مصادر إشعاع السنكروترون المختلفة باسم "السطوع" أو "التألق" أو "السطوع الطيفي"، وقد أوصت المجموعة العاملة المعنية بتسمية السنكروترون بالمصطلح الأخير باعتباره الخيار الأفضل. ^{[ 2 ]} وبغض النظر عن الاسم المُختار، فإن هذا المصطلح يُعدّ مقياسًا للتدفق الكلي للفوتونات في فضاء طور سداسي الأبعاد مُحدد لكل وحدة عرض نطاق (BW). ^{[ 3 ]}

يُعطى السطوع الطيفي بواسطة

${\displaystyle B={\frac {{\dot {N}}_{\text{ph}}}{4\pi ^{2}\sigma _{x}\sigma _{y}\sigma _{x'}\sigma _{y'}{\frac {d\omega }{\omega }}}},}$

أين${\displaystyle {\dot {N}}_{\text{ph}}}$يمثل عدد الفوتونات في الثانية الواحدة في الحزمة،${\displaystyle \sigma _{x}}$و${\displaystyle \sigma _{y}}$تمثل هذه القيم متوسط ​​الجذر التربيعي لحجم العارضة في المحاور العمودية على اتجاه العارضة.${\displaystyle \sigma _{x'}}$و${\displaystyle \sigma _{y'}}$تمثل قيم الجذر التربيعي المتوسط ​​(RMS) للزاوية المجسمة للشعاع في البعدين x و y ، و${\textstyle {\frac {d\omega }{\omega }}}$يمثل عرض النطاق النسبي، أو مدى انتشار تردد الحزمة حول التردد المركزي. ^{[ 4 ]} القيمة المعتادة لعرض النطاق هي 0.1%. ^{[ 2 ]}

السطوع الطيفي له وحدات زمنية ⁻¹ ⋅ مسافة ⁻² ⋅ زاوية ⁻² ⋅ (عرض النطاق الترددي %) ⁻¹ .

وخاصة عندما يتم إنتاجها صناعياً، فإن إشعاع السنكروترون يتميز بما يلي: ^{[ 5 ]}

• شدة عالية وتألق، أعلى بعدة مراتب من الأشعة السينية المنتجة في أنابيب الأشعة السينية التقليدية: تتميز مصادر الجيل الثالث عادةً بتألق أكبر من 10 ¹⁸ فوتون·ثانية ⁻¹ ·مم ⁻² ·مليراد ⁻² /(0.1%BW)، حيث يشير 0.1%BW إلى عرض نطاق ترددي 10 ⁻³ ω متمركز حول التردد ω .
• مستوى عالٍ من الاستقطاب (خطي، بيضاوي أو دائري).
• التجميع العالي، أي حزمة ضيقة ومركزة للغاية من الجسيمات عالية الطاقة.
• انبعاثية منخفضة، أي مقطع عرضي صغير جدًا ومركز للغاية وزاوية انبعاث صلبة.
• إمكانية ضبط واسعة في الطاقة/الطول الموجي عن طريق أحادي اللون ، أي القدرة على ضبط حزمة ضوئية مكثفة عند طاقة/طول موجي مرغوب فيه (من أقل من الإلكترون فولت إلى نطاق الميغا إلكترون فولت ).
• انبعاث الضوء النبضي (مدة النبضات عند أو أقل من نانوثانية واحدة ، أو جزء من مليار من الثانية): والمعروف باسم "الحزم" داخل حلقة التخزين ^{[ 6 ]}

يمكن تصنيف مصادر ضوء السنكروترون إلى ثلاث فئات عامة، تُعرف أيضًا باسم "الأجيال". ^{[ 7 ]}

• مصادر الضوء من الجيل الأول: السنكروترونات التي بُنيت في الأصل لفيزياء الجسيمات عالية الطاقة. ثم جرى تعديل الأجهزة الموجودة لإنتاج إشعاع السنكروترون. ومن أمثلة مصادر ضوء السنكروترون من الجيل الأول ما يلي:
  • مرفق الإشعاع فوق البنفسجي السنكروتروني (SURF)، الواقع في غايثرسبيرغ، ميريلاند
  • 6 GeV Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ، الموجود في هامبورغ، ألمانيا
  • المختبر الوطني للفراسكاتي (LNF) 1.1 GeV Electron Synchrotron، الموجود في روما، إيطاليا
• مصادر الضوء من الجيل الثاني: مرافق بحثية بُنيت خصيصًا لإنتاج إشعاع السنكروترون، ولكنها غير مصممة لإنتاج إشعاع منخفض الانبعاث. من أمثلة مصادر الضوء من الجيل الثاني:
  • مصدر إشعاع السنكروترون في داريسبري (SRS) ، الواقع في تشيشاير، إنجلترا
  • يقع مختبر هامبورغ للإشعاع السنكروتروني (HASYLAB) في هامبورغ، ألمانيا.
• مصادر الضوء من الجيل الثالث: مرافق بحثية مصممة خصيصًا لإنتاج إشعاع السنكروترون، وتتميز بانبعاثية منخفضة. من أمثلة مصادر الضوء من الجيل الثالث:
  • مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF) ، الواقع في غرونوبل، فرنسا
  • مصدر Optimisée de Lumière d'Énergie Intermédiaire (SOLEIL) يقع في سان أوبين، فرنسا
  • مصدر الضوء المتقدم (ALS) ، الموجود في بيركلي، كاليفورنيا
  • Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY II) ، الموجود في برلين، ألمانيا
  • مصدر الضوء الماسي ، الواقع في أوكسفوردشاير، إنجلترا

قد يحدث إشعاع السنكروترون في مسرعات الجسيمات إما كعامل مزعج، مسببًا فقدًا غير مرغوب فيه للطاقة في سياقات فيزياء الجسيمات ، أو كمصدر إشعاع مُنتَج عمدًا للعديد من التطبيقات المختبرية. تُسرَّع الإلكترونات إلى سرعات عالية على عدة مراحل للوصول إلى طاقة نهائية تتراوح عادةً في نطاق الجيجا إلكترون فولت. تُجبر الإلكترونات على السير في مسار مغلق بواسطة مجالات مغناطيسية قوية. يشبه هذا الأمر عمل هوائي الراديو، ولكن مع اختلاف أن السرعة النسبية تُغير التردد المرصود بسبب تأثير دوبلر بمعامل معين.${\displaystyle \gamma }$يؤدي انكماش لورنتز النسبي إلى زيادة التردد بمعامل آخر .${\displaystyle \gamma }$وبالتالي، يتضاعف تردد الجيغاهرتز للتجويف الرنيني الذي يُسرّع الإلكترونات إلى نطاق الأشعة السينية. ومن الآثار البارزة الأخرى للنسبية تشوّه نمط الإشعاع من نمط ثنائي القطب المتناحي المتوقع من النظرية غير النسبية إلى مخروط إشعاعي شديد الانحدار. وهذا ما يجعل مصادر إشعاع السنكروترون ألمع مصادر الأشعة السينية المعروفة. ويجعل شكل التسارع المستوي الإشعاع مستقطبًا خطيًا عند رصده في المستوى المداري، ومستقطبًا دائريًا عند رصده بزاوية صغيرة بالنسبة لهذا المستوى.

أدرك مجتمع علمي متنامٍ باستمرار، بدءًا من ستينيات وسبعينيات القرن الماضي، مزايا استخدام إشعاع السنكروترون في التحليل الطيفي والحيود. في البداية، بُنيت مسرعات الجسيمات لدراسة فيزياء الجسيمات، واستُخدم إشعاع السنكروترون في "الوضع الطفيلي" عندما كان لا بد من استخراج إشعاع المغناطيس المنحني عن طريق حفر ثقوب إضافية في أنابيب الحزمة. وكانت حلقة التخزين الأولى التي تم تشغيلها كمصدر لضوء السنكروترون هي تانتالوس، في مركز إشعاع السنكروترون ، والتي بدأت عملياتها لأول مرة في عام 1968. ^{[ 8 ]}

استُخدمت المغناطيسات الكهربائية المنحنية في المسرعات لأول مرة لتوليد هذا الإشعاع، ولكن لتوليد إشعاع أقوى وأكثر سطوعًا، تُستخدم أحيانًا أجهزة متخصصة أخرى - أجهزة الإدخال. وقد أدت ابتكارات مثل شبكة تشاسمان-غرين ، وهي عبارة عن مصفوفة من المغناطيسات التي تزيد السطوع إلى أقصى حد، إلى ظهور جيل ثانٍ من مصادر الضوء المتخصصة. وكان مصدر ضوء السنكروترون الوطني في مختبر بروكهافن الوطني أول من استخدم هذه الشبكة. ^{[ 9 ]}

تعتمد مصادر إشعاع السنكروترون من الجيل الثالث عادةً على هذه الأجهزة المُدخلة، حيث تتضمن الأجزاء المستقيمة من حلقة التخزين هياكل مغناطيسية دورية (تتألف من العديد من المغناطيسات بنمط من الأقطاب الشمالية والجنوبية المتناوبة - انظر الرسم التوضيحي أعلاه) والتي تُجبر الإلكترونات على اتخاذ مسار جيبي أو حلزوني. وبالتالي، فبدلاً من انحناء واحد، تتراكم عشرات أو مئات من "التموجات" في مواقع محسوبة بدقة، مما يُضاعف أو يُزيد من شدة الحزمة الكلية. تُسمى هذه الأجهزة بالمُموجات أو المُتموجات . ويكمن الفرق الرئيسي بين المُتموج والمُموج في شدة مجالهما المغناطيسي وسعة الانحراف عن المسار المستقيم للإلكترونات. تم افتتاح أول مصدر ضوئي من الجيل الثالث، والذي بُني باستخدام المُتموجات كجزء من التصميم الأولي، وهو مرفق إشعاع السنكروترون الأوروبي ، للمستخدمين في عام 1994. ^{[ 9 ]}

تستخدم مصادر الجيل الرابع، مثل Sirius ^{[ 9 ]} في مختبر الضوء السنكروتروني البرازيلي (LNLS)، مغناطيسات "متعددة الانحناءات لا لونية" لزيادة سطوع حزم الإلكترون الخاصة بها.

• يؤدي إشعاع السنكروترون لحزمة إلكترونية تدور بطاقة عالية في مجال مغناطيسي إلى استقطاب ذاتي إشعاعي للإلكترونات في الحزمة ( تأثير سوكولوف-تيرنوف ). ^{[ 10 ]} يُستخدم هذا التأثير لإنتاج حزم إلكترونية مستقطبة للغاية لاستخدامها في تجارب متنوعة.
• يحدد إشعاع السنكروترون أحجام الحزمة (التي تحددها انبعاثية الحزمة ) في حلقات تخزين الإلكترونات من خلال تأثيرات التخميد الإشعاعي والإثارة الكمومية. ^{[ 11 ]}

في منشأة السنكروترون، تُسرّع الإلكترونات عادةً بواسطة السنكروترون ، ثم تُحقن في حلقة تخزين حيث تدور، مُنتجةً إشعاع السنكروترون دون اكتساب طاقة إضافية. يُسقط الإشعاع بشكل مماس لحلقة تخزين الإلكترونات ويُلتقط بواسطة خطوط شعاعية . قد تنشأ هذه الخطوط الشعاعية من مغانط الانحناء، التي تُحدد زوايا حلقة التخزين؛ أو من أجهزة الإدخال ، الموجودة في الأجزاء المستقيمة من حلقة التخزين. يختلف طيف وطاقة الأشعة السينية بين النوعين. يتضمن الخط الشعاعي أجهزة بصرية للأشعة السينية تتحكم في عرض النطاق ، وتدفق الفوتونات، وأبعاد الشعاع، والتركيز، وتوازي الأشعة. تشمل هذه الأجهزة البصرية الشقوق، والمخففات، وموحدات اللون البلورية ، والمرايا. يمكن ثني المرايا على شكل منحنيات أو أشكال حلقية لتركيز الشعاع. يُعدّ التدفق العالي للفوتونات في مساحة صغيرة المتطلب الأكثر شيوعًا للخط الشعاعي. يختلف تصميم الخط الشعاعي باختلاف التطبيق. في نهاية خط الحزمة توجد محطة النهاية التجريبية، حيث يتم وضع العينات في خط الإشعاع، ويتم وضع أجهزة الكشف لقياس الانعراج الناتج أو التشتت أو الإشعاع الثانوي.

يُعدّ ضوء السنكروترون أداةً مثاليةً للعديد من أنواع الأبحاث في علوم المواد والفيزياء والكيمياء ، ويستخدمه باحثون من مختبرات أكاديمية وصناعية وحكومية. تستفيد عدة طرق من شدة إشعاع السنكروترون العالية، وإمكانية ضبط طوله الموجي، وتجميعه ، واستقطابه، وذلك في خطوط الحزم المصممة لأنواع محددة من التجارب. تُمكّن شدة أشعة السنكروترون السينية العالية وقدرتها على الاختراق من إجراء التجارب داخل خلايا العينات المصممة لبيئات محددة. يمكن تسخين العينات أو تبريدها أو تعريضها لبيئات غازية أو سائلة أو ذات ضغط عالٍ. تُسمى التجارب التي تستخدم هذه البيئات بالتجارب الموضعية، وتتيح توصيف الظواهر على المستوى الذري إلى النانوي، والتي يصعب الوصول إليها باستخدام معظم أدوات التوصيف الأخرى. أما القياسات أثناء التشغيل، فهي مصممة لمحاكاة ظروف التشغيل الحقيقية للمادة بأكبر قدر ممكن من الدقة. ^{[ 12 ]}

الانعراج والتشتت

تُجرى تجارب حيود الأشعة السينية (XRD) وتشتت الأشعة في السنكروترونات لتحليل البنية البلورية وغير البلورية للمواد. ويمكن إجراء هذه القياسات على المساحيق أو البلورات الأحادية أو الأغشية الرقيقة . وتتيح الدقة العالية وكثافة شعاع السنكروترون قياس التشتت من الأطوار المخففة أو تحليل الإجهاد المتبقي . كما يمكن دراسة المواد تحت ضغط عالٍ باستخدام خلايا سندان الماس لمحاكاة البيئات الجيولوجية القاسية أو لإنتاج أشكال غير مألوفة من المادة.

تُجرى دراسة البلورات بالأشعة السينية للبروتينات والجزيئات الكبيرة الأخرى (PX أو MX) بشكل روتيني. وكانت تجارب البلورات القائمة على السنكروترون أساسية في حل بنية الريبوسوم ؛ [ ^{13 ] [ 14 ] وقد} حاز هذا العمل على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2009. ^{[ 15 ]}

يتم تحديد حجم وشكل الجسيمات النانوية باستخدام تقنية تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS). وتُقاس الخصائص النانوية على الأسطح بتقنية مماثلة، وهي تقنية تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة عند السقوط المماسي (GISAXS). ^{[ 16 ]} في هذه الطريقة وغيرها، تُحقق حساسية السطح بوضع سطح البلورة بزاوية صغيرة بالنسبة للشعاع الساقط، مما يُحقق انعكاسًا خارجيًا كليًا ويُقلل من اختراق الأشعة السينية للمادة.

يمكن تحديد تفاصيل الأسطح والواجهات والأغشية الرقيقة ، بدءًا من المستوى الذري وصولًا إلى المستوى النانوي، باستخدام تقنيات مثل انعكاس الأشعة السينية (XRR) وتحليل قضيب قطع البلورة (CTR). ^{[ 17 ]} كما يمكن استخدام قياسات الموجة المستقرة للأشعة السينية (XSW) لتحديد مواقع الذرات على الأسطح أو بالقرب منها؛ وتتطلب هذه القياسات بصريات عالية الدقة قادرة على رصد ظواهر الحيود الديناميكي . ^{[ 18 ]}

يمكن فحص المواد غير المتبلورة، بما في ذلك السوائل والمصهورات، بالإضافة إلى المواد المتبلورة ذات الاضطراب الموضعي، باستخدام تحليل دالة توزيع أزواج الأشعة السينية ، والذي يتطلب بيانات تشتت الأشعة السينية عالية الطاقة. ^{[ 19 ]}

من خلال ضبط طاقة الشعاع عبر حافة امتصاص عنصر معين، يتم تعديل تشتت الأشعة السينية من ذرات ذلك العنصر. وتساعد هذه الطرق، التي تُعرف باسم طرق تشتت الأشعة السينية الشاذة الرنانة، في تحديد مساهمات التشتت من عناصر محددة في العينة.

وتشمل تقنيات التشتت الأخرى حيود الأشعة السينية المشتتة للطاقة ، وتشتت الأشعة السينية غير المرن الرنيني ، والتشتت المغناطيسي.

التصوير

يمكن استخدام أشعة سينكروترون السينية في التصوير بالأشعة السينية التقليدي ، والتصوير بالأشعة السينية بتقنية تباين الطور ، والتصوير المقطعي . يتيح الطول الموجي للأشعة السينية، الذي يبلغ مقياس أنغستروم، التصوير بدقة أقل بكثير من حد حيود الضوء المرئي، ولكن عمليًا، تبلغ أصغر دقة تم تحقيقها حتى الآن حوالي 30  نانومترًا. ^{[ 24 ]} تُستخدم مصادر المجسات النانوية هذه في مجهر المسح النافذ بالأشعة السينية (STXM). يمكن دمج التصوير مع التحليل الطيفي، مثل مطيافية تألق الأشعة السينية أو مطيافية امتصاص الأشعة السينية ، لرسم خريطة التركيب الكيميائي أو حالة الأكسدة للعينة بدقة دون الميكرون. ^{[ 25 ]}

استُخدمت الأشعة السينية من مصدر ضوء السنكروترون للكشف عن نص مخفي تحت طبقات من النصوص الأخرى في مخطوطة باليمبست . ^{[ 26 ]}

نظراً لأهمية إشعاع الأشعة السينية المتماسك القابل للضبط والموجه ، بُذلت جهودٌ حثيثةٌ لتصنيع مصادر ضوئية أصغر حجماً وأكثر اقتصاديةً من تلك التي تنتجها السنكروترونات. والهدف من ذلك هو إتاحة هذه المصادر داخل المختبرات البحثية لأسباب تتعلق بالتكلفة وسهولة الاستخدام؛ ففي الوقت الراهن، يضطر الباحثون إلى السفر إلى منشأة لإجراء التجارب. إحدى طرق تصنيع مصدر ضوئي صغير الحجم هي استخدام انزياح الطاقة الناتج عن تشتت كومبتون لفوتونات الليزر القريبة من الضوء المرئي من الإلكترونات المخزنة عند طاقات منخفضة نسبياً تبلغ عشرات الميغا إلكترون فولت (انظر على سبيل المثال مصدر الضوء الصغير (CLS) ^{[ 27 ]} ).

• قائمة مرافق إشعاع السنكروترون
• قائمة مصادر الإضاءة

• إليترا سينكروترون تريستا - مصادر الضوء إليترا وفيرمي
• تصوير الحشرات القديمة باستخدام مصدر ضوء السنكروترون - بي بي سي
• ضوء السنكروترون في معهد الفيزياء