Od działa elektronowego do linii pomiarowej

Idea w jednym akapicie

Elektrony to maleńkie naładowane cząstki, a gdy zmusza się je do zmiany kierunku, wysyłają światło. W ESRF, gdzie pędzą niemal z prędkością światła, jest to głównie promieniowanie rentgenowskie. Synchrotron to wykorzystuje: przyspiesza elektrony, utrzymuje je godzinami w pierścieniu i zmusza do skrętu w starannie wybranych miejscach, tak żeby wiązki promieniowania wylatywały dokładnie tam, gdzie naukowcy ustawili swoje eksperymenty.

1. Pierwszy rozpęd w linii prostej

Wszystko zaczyna się w dziale elektronowym. Wysyłane przez nie elektrony są grupowane w paczki i trafiają do akceleratora liniowego (linaku), który przyspiesza je do energii 200 milionów elektronowoltów. Już wtedy poruszają się z prędkością bliską prędkości światła.

2. Pierścień przyspieszający

Następny jest booster, pierścień o obwodzie 300 metrów. Elektrony okrążają go kilka tysięcy razy i przy każdym okrążeniu zyskują trochę energii, aż osiągną 6 miliardów elektronowoltów (6 GeV). Booster przekazuje wtedy paczkę elektronów do głównego pierścienia – może to robić co 50 milisekund.

Elektronowolt to energia, jaką zyskuje elektron, przechodząc przez napięcie jednego wolta. Sześć miliardów elektronowoltów to bardzo dużo jak na pojedynczą cząstkę – stąd ESRF nazywa się synchrotronem wysokoenergetycznym.

3. Pierścień akumulacyjny

Pierścień akumulacyjny ma obwód 844 metrów. Elektrony krążą w nim godzinami, w rurze utrzymywanej w ultrawysokiej próżni rzędu 10⁻⁹ milibara, żeby prawie nigdy nie zderzały się z cząsteczkami gazu. Pierścień składa się z 32 powtarzalnych odcinków zwanych komórkami. Magnesy ogniskujące działają jak soczewki i utrzymują wiązkę elektronów możliwie wąską.

Od 2020 roku pierścień ma nowy układ magnesów, Hybrid Multi-Bend Achromat, wymyślony przez Pantalea Raimondiego. W tym samym tunelu mieści się ponad 1000 magnesów, prawie dwa razy więcej niż wcześniej. Efektem jest znacznie cieńsza wiązka elektronów: według ESRF ma ona około 2 mikrometrów wysokości i 20 mikrometrów szerokości. To właśnie ten układ sprawił, że jasność i spójność wiązek rentgenowskich ESRF wzrosły stukrotnie.

4. Skąd bierze się światło

Elektrony emitują promieniowanie zawsze, gdy zmuszone są zmienić kierunek. W magnesach zakrzywiających, które prowadzą wiązkę po pierścieniu, światło wylatuje stycznie, prosto w stronę stanowiska pomiarowego. Każda komórka ma też prosty odcinek o długości około pięciu metrów na specjalne zespoły magnesów, tzw. urządzenia wstawkowe.

Najważniejsze z nich to undulatory: rzędy małych magnesów o naprzemiennych biegunach, które wprawiają elektrony w slalom. Według ESRF undulatory dają promieniowanie milion razy intensywniejsze niż magnesy zakrzywiające, o jasności i spójności zbliżonej do lasera.

5. Linia pomiarowa

Każda wiązka promieniowania kończy się w linii pomiarowej (beamline) – wyspecjalizowanym laboratorium z własnymi instrumentami i zespołem. ESRF ma ich 44, każdą zbudowaną do innego rodzaju pomiarów: od budowy białek po materiały pod skrajnym ciśnieniem.

Możliwości linii zależą od jej konstrukcji. W całym ośrodku ESRF oferuje rozdzielczość przestrzenną od milimetrów aż do skali atomowej i rozdzielczość czasową poniżej mikrosekundy, a próbki można badać in situ, np. w rzeczywistych warunkach produkcji albo pracy urządzenia. Ponieważ wiele z tych pomiarów nie niszczy próbki, nadają się także do badania skamieniałości i dzieł sztuki.

Pokolenia synchrotronów

Historia samego ESRF pokazuje, jak rozwijała się ta technika. Założony w 1988 roku był – jak sam pisze – pierwszym na świecie synchrotronem trzeciej generacji. W 2020 roku dzięki Extremely Brilliant Source stał się, znów według własnych słów, pierwszym wysokoenergetycznym synchrotronem czwartej generacji, ze stukrotnie większą jasnością i spójnością wiązek. Nowy pierścień zbudowano w starym tunelu podczas 20-miesięcznej przerwy.

Dlaczego jasność ma znaczenie

Jaśniejsza wiązka to nie tylko ładniejszy obraz. ESRF zwraca uwagę, że bardzo intensywne promieniowanie rentgenowskie nadaje się do bardzo małych próbek i szybkich procesów: im więcej światła dociera w każdej sekundzie, tym szybciej można wykonać pomiar. Co promieniowanie rentgenowskie widzi, a czego nie, opisujemy na stronie Dwa sposoby patrzenia na atomy, a samą instytucję na stronie Europejski synchrotron.