Synkrotronivalonlähde
Synkrotronivalonlähde on synkrotronin tuottaman sähkömagneettisen säteilyn lähde. Säteilyä voidaan tuottaa keinotekoisesti tieteellisiin ja teknisiin tarkoituksiin erikoistuneilla hiukkaskiihdyttimillä, tyypillisesti kiihdyttämällä elektroneja. Kun korkeaenerginen elektronisuihku on tuotettu, se ohjataan apukomponentteihin, kuten taivutusmagneetteihin ja syöttölaitteisiin (undulaattoreihin tai wigglereihin) säilytysrenkaissa ja vapaan elektronin lasereissa. Nämä tuottavat säteeseen nähden kohtisuorassa olevat voimakkaat magneettikentät, joita tarvitaan suurienergisen elektronienergian muuntamiseksi valoksi tai muuksi elektronimagneettiseksi säteilyksi.
Synkrotronisäteilyä voi esiintyä kiihdyttimissä joko haittana hiukkasfysiikan kokeissa tai tarkoituksella monissa laboratoriotarkoituksissa. Elektronit kiihdytetään suuriin nopeuksiin useissa vaiheissa, jotta saavutetaan loppuenergia, joka voi olla GeV:n luokkaa. Suuressa hadronitörmäyttimessä (Large Hadron Collider, LHC) myös protonipaketit tuottavat säteilyä kasvavalla amplitudilla ja taajuudella kiihtyessään tyhjiökentässä, jolloin syntyy fotoelektroneja. Photoelektronit tekevät sitten putken seinämistä sekundäärielektroneita kasvavalla taajuudella ja tiheydellä aina 7x1010:een asti. Kukin protoni voi menettää 6,7keV kierrosta kohden tämän ilmiön vuoksi. Sekä elektronisynkrotronit että protonisynkrotronit voivat siis toimia valonlähteenä.
Synkrotronivalon tärkeimpiä sovelluksia ovat tiivistetyn aineen fysiikka, materiaalitiede, biologia ja lääketiede. Monissa synkrotronivaloa käyttävissä kokeissa tutkitaan aineen rakennetta elektronisen rakenteen subnanometritasolta mikrometri- ja millimetritasolle. Tämä on tärkeää lääketieteellisessä kuvantamisessa. Esimerkki käytännön teollisesta sovelluksesta on mikrorakenteiden valmistaminen litografia-, elektrolyysi- ja muovausprosessilla (LIGA).
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mikä on synkrotronivalonlähde?
V: Synkrotronivalonlähde on sähkömagneettisen säteilyn lähde, jota tuotetaan erikoistuneessa hiukkaskiihdyttimessä, tyypillisesti kiihdyttämällä elektroneja.
K: Miten luodaan voimakkaita magneettikenttiä, joilla korkeaenergisten elektronien energia muunnetaan valoksi tai muuksi sähkömagneettiseksi säteilyksi?
V: Vahvat magneettikentät luodaan apukomponenteilla, kuten taivutusmagneeteilla ja lisäyslaitteilla (undulaattorit tai wigglerit) varastorenkaissa ja vapaiden elektronien lasereissa. Nämä laitteet tuottavat sädettä vastaan kohtisuorassa olevat voimakkaat magneettikentät, joita tarvitaan korkea-energisen elektronienergian muuntamiseen valoksi tai muuksi elektronimagneettiseksi säteilyksi.
K: Minkälaisia hiukkasia synkrotronissa voidaan kiihdyttää?
V: Elektronit voidaan kiihdyttää suuriin nopeuksiin useissa vaiheissa, jotta saavutetaan loppuenergia, joka voi olla GeV:n luokkaa. Lisäksi myös protonipaketit tuottavat säteilyä kasvavalla amplitudilla ja taajuudella kiihtyessään tyhjiökentässä, jolloin syntyy fotoelektroneja.
K: Millaisia sovelluksia synkrotronivalolla on?
V: Synkrotronivalon tärkeimmät sovellukset ovat tiivistetyn aineen fysiikassa, materiaalitieteessä, biologiassa ja lääketieteessä. Monissa synkrotronivaloa käyttävissä kokeissa tutkitaan aineen rakennetta elektronisen rakenteen subnanometritasolta mikrometri- ja millimetritasolle. Tämä on tärkeää lääketieteellisessä kuvantamisessa. Esimerkki käytännön teollisesta sovelluksesta on mikrorakenteiden valmistaminen litografia-, elektrolyysi- ja muovausprosessilla (LIGA).
K: Kuinka paljon energiaa kukin protoni menettää kierrosta kohti tämän ilmiön vuoksi?
V: Kukin protoni voi menettää 6,7 keV kierrosta kohti tämän ilmiön vuoksi.
K: Millaiset kiihdyttimet tyypillisesti tuottavat näitä lähteitä?
V: Synkrotronivalonlähteitä tuotetaan tyypillisesti erikoistuneilla hiukkaskiihdyttimillä, kuten varastorenkailla ja vapaan elektronin lasereilla.
