Livre blanc - SOLEIL Synchrotron

PÄDAGOGISCHE INFORMATIONSBROSCHÜRE
Unterrichtsmaterial
Das Synchrotron und seine Strahlung
Vom Beschleuniger zu den Anwendungsgebieten
20 km südlich von Paris, auf der Anhöhe des Plateaus von Saclay, befindet sich
das Forschungszentrum SOLEIL, in dem Synchrotronstrahlung produziert und zu
Forschungszwecken genutzt wird.
Einleitung
1
Technik
2
• Von der Antike bis zur Renaissance
• Wissenschaft im Zeitalter der Moderne
Die Maschine und
die Beamlines 5
• Der „Linac“ und der Booster
• Der Elektronenspeicherring
• Die magnetischen Elemente
• Steuerung und Funktionsmodi
• Die Synchrotronstrahlung
• Die Beamlines
• Spektralbereiche
Die optischen Arbeitsgeräte 13
• Im sichtbaren Bereich
• Für Röntgen- und UV-Strahlung
• Im Infrarotbereich
Die Synchrotronstrahlung ist Licht, Licht im weiteren Sinne, das nicht auf den kleinen,
sichtbaren Spektralbereich beschränkt ist, für den die Netzhaut des menschlichen Auges
empfindlich ist. Ihre außergewöhnlich hohe Brillanz und der sehr breite Spektralbereich
(von Infrarotstrahlung bis zu harter Röntgenstrahlung) machen die Synchrotronstrahlung zu
einem besonders geeigneten Werkzeug um Materie zu untersuchen, in so verschiedenen
Forschungsgebieten wie zum Beispiel Biologie, Chemie, Materialwissenschaften, Umweltund Geowissenschaften, Physik sowie Kulturerbe und Archäologie.
Der Magnetismus
19
• Dipole und Magneten
• Auf atomarer Skala
• Die Magneten von SOLEIL
Das Vakuum
23
Die Synchrotronstrahlung wird mithilfe hochenergetischer Elektronen erzeugt, die innerhalb
eines ringförmigen Teilchenbeschleunigers (ein Ring mit einem Umfang von 354 Metern)
kreisen.
• Das Ultrahochvakuum in SOLEIL
• Die Lebensdauer der Elektronen
(-pakete)
• Pumpen, Ausheizen und
die NEG-Beschichtung
Anschließend wird die Strahlung in sogenannte „Beamlines“ weitergeleitet, an deren Ende
sich die Proben des Materials, das jeweils erforscht werden soll, befinden.
Die Untersuchungsmethoden26
Ein großes Forschungswerkzeug um Licht zu erzeugen einerseits und ein Labor mit
zahlreichen wissenschaftlichen Instrumenten für die Nutzung dieses erzeugten Lichtes
andererseits : das sind die beiden Facetten des Forschungszentrums SOLEIL, dessen Aufbau
und Funktion wir Ihnen in dieser Broschüre zeigen und erläutern möchten. Beginnen wir mit
seiner Entstehungsgeschichte…
Das Forschungszentrum SOLEIL wurde Anfang 2008 in Betrieb genommen, 60 Jahre nachdem
Elder, Langmuir und Pollock in den Labors des amerikanischen Technologiekonzerns General
Electric mit Hauptsitz in Schenectady zum ersten Mal Synchrotronstrahlung beobachteten.
Wie alle wissenschaftlichen Entdeckungen ist auch die Geschichte der Synchrotronstrahlung
mit der Geschichte der Physik als Ganzes verknüpft.
Diese Geschichte werden wir hier kurz erläutern und in zwei wichtige Abschnitte gliedern:
auf der einen Seite das Zeitalter der Antike und das der Renaissance und auf der anderen
die Neuzeit. Wir werden uns lediglich auf die Bereiche Elektrizität, Magnetismus und Vakuum
beschränken, und einige wichtige Persönlichkeiten oder Experimente, die in der Geschichte
der Physik eine wichtige Rolle spielten, andere aber hier unerwähnt lassen.
1
Anwendungsbereiche
30
• Leberzirrhose und -krebs
• Infektion von Zellen
• Leistungsfähigkeit von Batterien
• Lebensmittelechte Verpackungen
• Murillos Blau
• Altersbestimmung von exotischen
Bäumen
• Magnetotaktische Bakterien
• Miniaturkomet
• Graphen
Musterlösung des
Arbeitsblattes 35
Glossar
36
Von der Antike bis zur Renaissance
Geschichte der Technik
Von der Antike bis zur Renaissance
Die Geburt der Physik als Wissenschaftsdisziplin resultiert aus einer Ansammlung unzähliger Beobachtungen und Theorien, die sich
dank eines regen Gedankenaustauschs auf dem eurasischen Kontinent und im Mittelmeerraum Stück für Stück ergänzen konnten,
und so ein Gesamtbild formten.
Unsere kulturellen Referenzen, die sich eher auf Europa zentrieren, lassen darauf schließen, dass sich die Anfänge der Wissenschaft
etwa auf das fünfte Jahrhundert v.Chr. datieren und einem Bereich rund um das Ägäische Meer zuordnen lassen. Während die
Mehrheit der Bewohner des antiken Griechenlands glaubt, dass das Universum von den Göttern beherrscht wird (mit Zeus als
Herrscher über den Himmel und Poseidon als Herrscher über das Meer), sind einige Denker auf der Suche nach einem rationalen
Erklärungsmodell der Welt und stützen sich dabei nur auf Tatsachen. Sie sind weder Physiker noch Chemiker, sondern Philosophen
und ihre Argumentationen basieren auf der Beobachtung der Natur. Sie sind besonders daran interessiert die Geheimnisse der
Materie zu lüften: ihre Herkunft und Struktur, ihre Vielfalt und Veränderbarkeit.
w Die griechischen Philosophen, die Materie und das Vakuum
Die griechischen Philosophen sind über die Existenz des Vakuums und die Natur der Materie geteilter
Meinung. Laut Empedokles, Platon oder auch Aristoteles (jeweils aktiv um 460, 400 und 350 v. Chr.)
bestehen die im Universum vorkommenden Stoffe aus den vier Elementen Feuer, Luft, Wasser und
Erde (plus ein fünftes Element: Äther, der Stoff aus dem die Himmelssphäre besteht). Diese Urstoffe
verbinden sich in variablen Verhältnissen zueinander und füllen die Welt aus, ohne auch nur den
kleinsten Leerraum zu lassen. Ein Beispiel: „Der Knochen besteht aus Wasser, Erde und Feuer im
Verhältnis von je zwei Teilen Wasser und Erde und vier Teilen Feuer.“
Dieser Theorie der vier Grundelemente steht die Atomtheorie gegenüber, deren Hauptvertreter zu
dieser Zeit Leukipp, Demokrates und Epikur (440, 400 und 300 v. Chr.) waren. Ihnen zufolge kann
Raphael: Die Schule von Athen
sich die Materie nicht bis ins Unendliche teilen, anderenfalls hätte sie keine Konsistenz. Sie besteht
(Detailansicht)
aus kleinen, unsichtbaren sowie untrennbaren Teilchen, den „Atomen“. Die Atome sind kompakte
Festkörper (sie enthalten keine Leerräume); unendlich an der Zahl, in zahlreichen Formen vertreten, unzerstörbar und werden ständig
wieder verwendet: Wenn ein Baum oder ein Tier stirbt, trennen sich ihre Atome und setzen sich dann wieder zusammen um neue
Körper zu formen, da sie sich im Vakuum, dem leeren Raum, fortbewegen. „Wenn der leere Raum nicht existieren würde, hätten die
Atome keinen Ort um zu sein oder sich zu fortzubewegen, aber offensichtlich bewegen sie sich“ (Epikur in einem Brief an Herodot).
Der leere Raum ist also Bedingung für Bewegung; er ist endlos und erlaubt den Atomen ihre Position zu verändern, er ermöglicht die
Teilung, den Zerfall und die Rekonstitution von Körpern. Aus der Kombination der Atome resultiert die Vielfalt des Kosmos.
Zum Ende der Antike hin geht das griechische Gedankengut in Europa weitestgehend verloren, deutlich wird dies am Beispiel der
Zerstörung der Bibliothek von Alexandria im Jahr 415 oder der Schließung der, des Heidentums bezichtigten, Athener Schulen
durch Justinian (529). Im Mittelalter (fünftes bis 15. Jahrhundert) existiert die abendländische Wissenschaft quasi nicht mehr:
Die Invasionen der Barbaren sind nicht sehr förderlich für ihre Entwicklung und die Kultur, die sich in den Klostern etabliert, ist
eher literarisch und vor allem religiös geprägt. In den Ländern rund um das Mittelmeer und im Fernen Osten hingegen blüht die
Wissenschaft zu dieser Zeit auf. In China widmen sich die Gelehrten der aufmerksamen Beobachtung der Natur (Astronomie, Physik,
Biologie), ohne vorgefasste Ideen und ohne Theorien aufstellen zu wollen. Auf diese Weise sammeln sie eine Menge empirischer
Kenntnisse, zum Beispiel auf den Gebieten Tonschwingungen (Akustik; Anm.d.Übers.) und Magnetismus. So entdeckten die
Chinesen sehr früh, dass der Magnetit eisenhaltige Gegenstände anzog und dass er in Form einer Nadel immer in dieselbe Richtung
zeigte.
w Der Kompass
Die Griechen waren bereits vertraut gewesen mit den Geheimnissen den Fernwirkungen. Sie hatten die Anziehungskräfte des gelben
Bernsteins entdeckt, dessen griechischer Name „elektron“ der Ursprung des Wortes „Elektrizität“ bildet.
Allerdings zogen sie aus ihren Erkenntnissen noch keinen Nutzen. In China wird der erste bekannte
Kompass in einem Buch aus dem Jahr 1044 beschrieben, er besteht aus einer kleinen Eisenplatte in
Fischform: „ Man schneide ein Stück sehr dünnen Eisens in Form eines Fisches… Man erhitze es im
Kohlenfeuer bis es sich rot färbt und ziehe es mit einer Zange heraus. Die Schwanzflosse nach Norden
ausgerichtet, tauche man es nun für einige Minuten in Wasser.“ Da das löffelförmige Eisenstück gen
Süden zeigte, wurden die ersten Kompasse nach dem Herrscher über den Süden Chinas benannt: Si
Nan. Später werden sie durch eine auf einer Achse drehbar gelagerten Nadel ersetzt; so entsteht der
Shen Kuo. Dieser Seekompass schwimmt in einem mit Wasser gefüllten Behälter um die schwankenden
Schiffsbewegungen abzuschwächen. Er wurde im Zeitalter der Song-Dynastie entwickelt. Die 24-fache
Winkeleinteilung des Si Nan oder des Shen Kuo finden sich noch immer auf vielen heute verwendeten
Kompassen chinesischer Fischerboote. Der Kompass wird etwa um das 12. Jahrhundert herum von Chinesischer Kompass aus dem
zweiten Jhd. V. Chr. – HanArabern in Europa eingeführt.
Epoche (Foto: Michel Houdard)
Quelle: http://www.ifremer.fr.
2
Von der Antike bis zur Renaissance
Im Laufe ihrer Eroberungen beginnend nach dem Tod Mohammeds im Jahr 632, entdecken die
Araber unter anderem den Nutzen bestimmter Technologien aus China wie zum Beispiel den
Kompass oder das Papier und übersetzen zahlreiche Werke aus dem Griechischen, Syrischen,
Persischen, etc.Sie erben auf diese Weise das antike Wissen, vertiefen es und fügen neue
Erkenntnisse hinzu, dank eines neuen Konzeptes von Wissenschaft, das sich auf Experimente und
Messungen stützt. Hauptstädte wie Bagdad, Basra, Kufa, Kairo, Kairuan, Tlemcen, Fès, Córdoba und
später auch Istanbul, entwickeln sich zu wichtigen intellektuellen Zentren. Die Wissenschaftler der
arabisch-muslimischen Welt stellen die Physik Aristoteles’ infrage (vor allem Avicenna, Averroës,
al-Ghazali und Maimonides), und haben besonders auf den Gebieten der Astronomie, Medizin,
Geometrie und Optik große Fortschritte zu verzeichnen.
Das Observatorium des Taqi ad-Din in Istanbul
w Alhazen und die Lichtstrahlen
Das Licht wurde lange Zeit als etwas Göttliches angesehen. Für die Griechen ist es unmittelbar mit der Sicht verbunden. Der
Mathematiker Euklid hat die brillante Idee es als Lichtstrahlen durch feine Linien zeichnerisch darzustellen. Er glaubt, dass das Auge
Strahlen aussendet, die auf die Objekte treffen – dies ermöglicht das Sehen. Im Jahr 1000 erkennt der Iraker Alhazen (ibn al-Haitham)
die Funktionsweise des menschlichen Auges und behauptet, im Gegensatz zu Euklid, dass das Licht von den Dingen selbst kommt.
Sich auf unzählige Experimente stützend, entwirft er die Gesetze der Lichtreflexion und -brechung. Ihm zufolge ist „auch nur die
kleinste Menge an Licht“ ein Gegenstand; Licht ist also Materie. Seine Bücher werden später ins Lateinische übersetzt und verteilen
sich über ganz Europa. Kopernikus, Kepler, Galilei: Sie alle lesen sie und werden von ihnen inspiriert. Wie für viele andere Disziplinen
auch, ist dies die Wiedergeburt der Wissenschaft.
Ab dem zehnten Jahrhundert gelangen die arabischen Bücher über Italien und vor allem Spanien in die westliche Welt, wo
sie übersetzt werden. Ab dem 12. Jahrhundert entdeckt Europa die griechisch-arabisch geprägten Wissenschaften: Es ist der
„aristotelische Aufstieg“. Das Werk Aristoteles’ liefert in der Tat ein komplettes und in sich kohärentes Weltbild, das sich auf die
Annahme stützt, dass es eine treibende Kraft, eine göttliche Macht, gibt, der alles gehorcht.
w Thomas von Aquin
Mit einer Synthese aus Aristotelismus und Christentum will der Theologe Thomas von Aquin
im 13. Jahrhundert Vernunft und Glauben miteinander vereinen. Er nimmt erheblichen
Einfluss auf die Scholastik, das in den Schulen und religiösen Universitäten des Mittelalters
gelehrte Wissen. Das Hauptinteresse der Scholastiker ist nicht die Entdeckung von neuem,
sondern die Integration der geistlichen Errungenschaften der griechischen Philosophie in die
christliche Offenbarung.
(Der Heilige Thomas von Aquin
zwischen Aristoteles und Platon)
Erst ab dem Zeitalter der Renaissance befreit sich die Wissenschaft nach und nach von den
Aristotelischen und religiösen Grundsätzen. Ein neues Weltbild entwicklet sich: Christoph Kolumbus
entdeckt mit der Überquerung des Atlantiks unbekanntes Neuland und dem geozentrischen Weltbild
Aristoteles’ und Ptolemäus’ (mit der Erde als festem Mittelpunkt des Universums) stellt sich nun
Kopernikus mit seiner Theorie eines heliozentrischen Weltbildes (die Sonne ist der Mittelpunkt des
Universums, der von allen Planeten, darunter auch der Erde, umkreist wird) entgegen.
Nun vermischt sich Wissen mit Vorstellungskraft. Dieser Ansatz begünstigt die Entwicklung der
experimentellen Wissenschaft mit Francis Bacon und Robert Boyle als Pioniere; die Wissenschaft stützt
sich noch immer auf die Beobachtung der Natur, aber ebenso auf den Grundsatz, dass man an nichts
glauben kann, das nicht überprüft werden kann. Von nun an existiert ein solides Fundament für die
Entwicklung der modernen Wissenschaften. Ab dem 18. Jahrhundert erweitert sich das Wissen auf allen
Forschungsgebieten. Man bestimmt Einheiten für Druck, Temperatur, Vakuum und Schwerkraft. Die
Chemie erlebt ihre Anfänge; optische Instrumente werden weiter verbessert. Die Elektrizität fasziniert
ganze Menschenmengen. Das Verständnis der Elektrizität wird von Physikern wie dem Franzosen
Charles-Augustin Coulomb, Begründer der Elektrostatik und Autor eines berühmten Gesetzes oder
dem Italiener Alessandro Volta, dem Erfinder der elektrischen Batterie (1800), begonnen.
3
In seinem Buch „Der skeptische
Chemiker“ aus dem Jahr 1661
kritisiert der englische Chemiker
Robert Boyle Aristoteles‘ Theorie
der vier Elemente und betont,
dass eine Theorie experimentell
bewiesen sein sollte, bevor sie als
eine Wahrheit gelten kann.
Wissenschaft im Zeitalter der Moderne
Wissenschaft im Zeitalter der Moderne
Gegen Ende des 18. Jahrhunderts sind die Keime für die moderne Wissenschaft der Physik bereits vorhanden, dennoch
gleicht die Vorstellung eines Elektronenspeicherrings noch einer verrückten Utopie. Es müssen erst noch die Elektronen
entdeckt werden, die mithilfe eines sehr guten Vakuums sowie elektrischen und magnetischen Feldern innerhalb eines
Rings auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können. Die wissenschaftlichen Entdeckungen und der erzielte
technologische Fortschritt der folgenden 150 Jahre ermöglichen schließlich den Bau des ersten Synchrotrons.
Elektrische und magnetische Phänomene sind bereits seit der Antike bekannt, dennoch beschränkt sich ihre Erforschung zu Beginn des
19. Jahrhunderts noch auf die Gebiete der Elektrostatik (Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Körpern) und Magnetostatik
(Wechselwirkung zwischen Magneten). Sicherlich lassen sich auf diesen beiden Forschungsgebieten einige Ähnlichkeiten feststellen, wie
zum Beispiel die Eigenschaft der untersuchten Objekte sich gegenseitig anzuziehen und abzustoßen, gleichwohl scheinen die beiden
Domänen nicht unmittelbar miteinander verknüpft zu sein… bis zum Jahr 1820 als der dänische Physiker Hans Oersted experimentell
die magnetische Wirkung eines Stroms entdeckt. 1831 zeigt dann der englische Physiker Michael Faraday, dass diese Wirkung auch
umgekehrt möglich ist; eine Veränderung eines Magnetfeldes kann ebenfalls einen Strom in einem Stromkreis erzeugen.
Schritt für Schritt werden die Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus aufgestellt, besonderen Beitrag hierzu leisten die Franzosen
André-Marie Ampère, Jean-Baptiste Biot, Félix Savart, der Engländer Michael Faraday und der Deutsche Karl Friedrich Gauß. Ihre Werke
werden schliesslich von dem Schotten James Clerk Maxwell zusammengefasst: In den 1870er-Jahren vereinheitlicht er die elektrischen
und magnetischen Kräfte und verweist auf die mögliche Existenz elektromagnetischer Wellen.
Es ist eine Epoche, die die Weiterentwicklung der experimentellen Forschung begünstigt, da nun immer effizientere Instrumente
zur Verfügung stehen. So gelingt es dem deutschen Physiker Hermann von Helmholtz eine Vorrichtung zu bauen, mit der zwischen
zwei sich gegenüberliegenden Spulen mit gleicher Windungszahl ein homogenes Magnetfeld erzeugt werden kann. Die sogenannte
„Helmholtz-Spule“ ist der Vorläufer der Umlenkmagnete, auch Dipole genannt, mit denen in Zukunft einmal Elektronenspeicherringe
ausgestattet sein werden. Des Weiteren sind die Forscher fasziniert von der elektrischen Leitfähigkeit von Gasen unter geringem Druck,
weil dabei die großen Phänomene Elektrizität, Magnetismus, Licht und Wärme zusammenwirken. Die Verbesserung des Vakuums in der
Elektronenröhre führt schließlich zur Entdeckung des Elektrons durch den englischen Physiker Joseph John Thompson im Jahre 1897.
Mit jeder neuen technologischen Entwicklung wird ein neuer, noch
niedrigerer Gasdruck erreicht. Der Graph (nebenstehende Abbildung)
beginnt mit dem 17. Jahrhundert und einer Entdeckung Torricellis,
einem italienischen Physiker, der als der „erste Mann“ gilt, der
das Vakuum „sichtbar“ machte indem er seinen Barometertubus
vollständig umdrehte (1644).
Man beachte den langen Zeitraum von 200 Jahren, der vom Bau
der ersten Vakuumpumpe durch Otto von Guericke im Jahr 1650
bis zur Erfindung der Quecksilberpumpe durch Heinrich Geissler
(1855) verstreicht. Mit der heutigen Vakuumtechnik lassen sich in
Elektronenbeschleunigern wie SOLEIL sehr niedrige Enddrücke in
der Größenordnung von 10-13 bar (10-10 hPa) und mit bestimmten
Vorrichtungen in Laboren bis zu 10-15 bar (10-12 hPa) erreichen.
Druck hPa
Ein immer besseres Vakuum…
Kathodenstrahlröhre
GAEDE
Kabellose Übertragungsverfahren
Entwicklung
der Elektronik
Teilchenbeschleuniger
Jahr
Die theoretischen Grundlagen für die Erforschung der Synchrotronstrahlung lassen sich auf die Zeit der Entdeckung des Elektrons
datieren. Im Jahr 1897 begründet der irische Physiker Joseph Larmor, durch die Ableitung einer Formel der Elektrodynamik, das Prinzip
der Energieabstrahlung eines bewegten Elektrons.
Im Jahr darauffolgenden Jahr, 1898, erweitern der Franzose Alfred-Marie Liénard und der Deutsche Emil Wiechert dieses Ergebnis auf
den Fall eines relativistischen Teilchens das eine zentripetale Beschleunigung auf einer kreisförmigen Umlaufbahn erfährt.
Um zu den ersten experimentellen Nachweisen zu kommen, müssen wir an dieser Stelle 50 Jahre überspringen: Der experimentelle
Nachweis der Synchrotronstrahlung, die durch geladene relativistische Teilchen erzeugt wird, erfolgt 1946 vorerst auf indirekte Weise
durch die Beobachtung der variierenden Umlaufbahn von Elektronen (J.P. Blewett) und schliesslich 1947 in den Labors von General
Electrics in Schenectady (USA) durch die Beobachtung der Strahlung selbst von H. Pollock und R. Langmuir durch ein Sichtfenster im
Synchrotron, das die Elektronen auf eine Geschwindigkeit von 70 MeV beschleunigte, daher der Name „Synchrotronstrahlung“.
Noch mehr Informationen zu den großen Entdeckungen, die vom 17. Jahrhundert bis heute wesentlich zur Erforschung der
Gebiete „Elektrizität“, „Magnetismus“, „Vakuum“, „Licht“, „Optik“ und „Teilchenbeschleuniger“ beigetragen haben, finden Sie unter:
http://www.synchrotron-soleil.fr/
4
Von der Teilchenbeschleunigung bis zur Erzeugung der Strahlung
1. Von der Teilchenbeschleunigung bis zur Erzeugung der Strahlung
SOLEIL ist eine zentrale Einrichtung, die Synchrotronstrahlung produziert und zu Forschungszwecken nutzt. Die Anlage
besteht aus einem Linearbeschleuniger, genannt « Linac » (von engl.: Linear accelerator), einem sogenannten Booster
der selber ein Synchrotron ist und einem Elektronenspeicherring, von dem aus die einzelnen „Beamlines“ abgehen.
Dipol
rring
Ele
ktr
eiche
nsp
e
on
Undulator
Quadrupol
Beamline
• Der Linac : „Startrampe“ für die Elektronen
Der Teilchenbeschleuniger Linac ist das erste Glied in der Produktionskette der Synchrotronstrahlung. Mithilfe eines Glühdrahtes
werden Elektronen thermisch freigesetzt, die in einem elektrischen Feld in kleine Bündel mit der Breite eines einzelnen
Haares gebündelt werden. Die Elektronenpakete werden auf eine Energie von 110 MeV beschleunigt, indem sie auf einer
elektromagnetischen Welle „reiten“ wie ein Surfer auf eine Welle.
• Der Booster : Die wilde Fahrt der Elektronen
Am Ausgang des Linacs treten die Elektronen in ein Synchrotron mit einem Umfang von 157m ein, den Booster. Bei jeder
Umdrehung passieren die Elektronenpakete nun eine Beschleunigerkavität, die sie komprimiert und die Energie innherhalb eines
Sekundenbruchteils von 110 MeV auf 2750 MeV (2,75 GeV) anhebt.
• Der Elektronenspeicherring : Die „Loipe“ der Elektronen
Die Elektronen werden in den Speicherring weitergeleitet um dort für mehrere Stunden mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu kreisen.
Der Elektronenspeicherring ist eine geschlossene Röhre mit einem Umfang von 354 m, der sich aus geraden und gebogenen
Abschnitten zusammensetzt. Beim Passieren von magnetischen Dipolen biegt sich die Elektronenbahn und bei Undulatoren
und Wigglern wird sie geschlängelt. Die Elektronen werden also (transversal ; Anm. d. Übers.) beschleunigt und geben Energie
in Form von elektromagnetischen Wellen ab, dies ist die sogenannte „Synchrotron strahlung“*.
• Die Beamlines
Die von den Elektronen abgegebene Strahlung wird in sogennante Beamlines, die an den Ring angeschlossen sind, weitergeleitet.
Jede Beamline ist ein eigenes Labor und im Jahr 2014 wird es am SOLEIL insgesamt 29 davon geben. Zudem bietet der Ring
noch Platz für weitere Beamlines, die genau auf die Forschungszweige, die sich gerade entwickeln, angepasst sind, besonders
im Bereich Medizin oder Umweltwissenschaften.
(*) Dieses Phänomen weisen alle geladenen relativistischen Teilchen (Elektronen, Protonen und Ionen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen),
die eine Beschleunigung erfahren, auf. Bei gleicher Masse und gleicher Energie gilt: Je kleiner die Masse, desto mehr Strahlung gibt das Teilchen ab. Elektronen
eignen sich also bestens für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung!
5
Von der Teilchenbeschleunigung bis zur Erzeugung der Strahlung
1.1 Die Beschleunigung der Elektronen von 0 auf 2,75 GeV
Der Linac ist ein gerader, 16 m langer Teilchenbeschleuniger. Seine Aufgabe ist es die Elektronen auf eine Energie von 110 MeV ± 5 MeV
vorzubeschleunigen und einen gepulsten Elektronenstrahl (Elektronenpaketgruppen von 300 ns; jeweils drei davon pro Sekunde also
mit einer Frequenz von 3 Hz) zu produzieren. Am Anfang des Linearbeschleunigers befindet sich eine Elektronenkanone (siehe
Abbildung 1 nächste Seite), in ihr wird ein kleines Metallstück, die Kathode, die aus Wolfram besteht, erhitzt. Durch Anlegen einer
elektrischen Spannung von 90 000 V (90 keV) werden Elektronen von dem Metall abgelöst. Ein elektrisches Feld dient dazu, die
Elektronen in Pakete zu bündeln.
Wenn sie die Kanone verlassen, passieren die Elektronen den Gruppierer. In jeder seiner Kupfer-Kavitäten teilt ein elektrisches (Wechsel- ;
Anm.d. Übers.) Feld die Elektronenpakete in noch kleinere Gruppen auf (~8mm) und verleiht ihnen zusätzlich kinetische Energie. Bevor sie
den Gruppierer passieren, sind die Elektronen nicht relativistisch, das heißt sie haben nur eine Geschwindigkeit v der Grössenordnung c/2.
Sie sind zu langsam um in einem normalen Beschleunigungsabschnitt beschleunigt zu werden. Wenn sie aber auf einer elektromagnetischen
Welle in der Kavität „surfen“ können, werden sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Beim Austreten aus dem Gruppierer beträgt
die Energie der Elektronen 15 MeV. Schließlich werden die Elektronenpakete in den zwei folgenden Beschleunigungsabschnitten
von 15 MeV auf 110 MeV beschleunigt. In jeden Abschnitt des Linearbeschleunigers injiziert ein elektrischer Resonator, Klystron genannt,
eine elektromagnetische Welle von sehr hoher Frequenz (3000 MHz), auf der die Elektronenpakete „surfen“ können. Zum Vergleich: Die
Größenordnung der Trägerfrequenz beträgt bei Mobiltelefonen 900, bei Mikrowellengeräten 2500 MHz.
Beim Übergang vom Linac zum Booster haben die Elektronen die richtige Energie, um sie in den Booster zu injizieren. Die transversale
Dimension des Strahles wird ebenfalls verändert, um eine perfekte Anpassung an den Boostereingang sicherzustellen. Der Wirkungsgrad
des ensembles „Linac + Transferbeamline“ liegt bei ungefähr 70%, das heisst dass 70% der Elektronen, die aus der Kanone kommen,
in den Booster injiziert werden, die übrigen gehen verloren.
Die Elektronen gelangen nun in den Booster, ein 157 m langes Synchrotron. Die Pakete sind nun ~4,5mm (FWHM, Anm.d.Übers.)
lang. Mit jeder Runde durchqueren sie einen Hohlraumresonator (siehe Foto 2 nächste Seite), der sie weiter bündelt und beschleunigt.
Innerhalb von 166 ms (weniger als 2/10 Sekunden) erreichen sie die Energie, der für die Funktion des Synchrotrons SOLEIL benötigt wird:
2,75 Milliarden Elektronenvolt (2750 MeV bzw. 2,75 GeV). Die Eigenschaften des Elektronenstrahls verbessern sich mit zunehmender
Energie, so zum Beispiel die Größe der Elektronenbündel und die Energieverteilung innerhalb eines Elektronenpaketes.
Das Magnetfeld der Dipole im Inneren des Boosters variiert zwischen
0,027 T, wenn die Elektronen mit einer Energie von 110 MeV in den
Booster gelangen, und 0,74 T, wenn die Elektronen den Booster mit einer
Energie von 2, 75 GeV verlassen. Während der Energieanhebungsphase
befinden sich die Elektronen im Booster.
Energie der Elektronen in MeV
Die Elektronen im Booster
Während des anschließenden Absenkens des Magnetfeldes (zweiter
Teil der Kurve) ist der Booster leer – die Elektronen sind zuvor in den
Speicherring übertragen worden.
Booster im leeren Zustand
Zeit in ms
Um in 166 ms von 110 auf 2750 MeV zu kommen, kreisen die
Elektronen etwa 300 000 Mal im Booster.
Die Transferbeamline vom Booster zum Speicherring ermöglicht es die Elektronenpakete aus dem Booster den schon im Ring
kreisenden Elektronen anzupassen. Sie hat eine Länge von 42 m und besteht aus drei Dipolen und sieben Quadrupolen. Der globale
Wirkungsgrad „Extraktion aus dem Booster, Transport durch die Transferbeamline und Injektion in den Speicherring“ liegt bei etwa 90%.
Die relativistischen Elektronen werden in den Speicherring geleitet, um dort mehrere Stunden mit einer Energie von 2,75 GeV weiter
zu kreisen. Die Pakete sind nun ~4,5mm (FWHM) lang. Der Elektronenspeicherring ist ein 354 m langes Rohr (eine Vakuumkammer)
dessen Querschnitt quasioval ist mit ~7cm Breite und ~2,5 cm Höhe, bestehend aus Kurven, mit den magnetischen Elementen zur
Ablenkung (Dipol- oder Ablenkmagnete) und aus geraden Stücken in welchen sich die Undulatoren, Wiggler und die Quadrupole
und Sextupole zur Strahlregelung befinden. Mit 42% geraden Abschnitten bietet der Ring eine Menge Möglichkeiten um magnetische
Elemente zu installieren: Derzeit ist SOLEIL die weltweit am besten optimierte Synchrotronstrahlungsquelle gemäss dieses Kriteriums.
Jedesmal wenn sich die Elektronen nicht geradlinig und/oder mit nicht konstanter Geschwindigkeit bewegen (so in den Dipolen und
Undulatoren), werden sie beschleunigt und verlieren Energie in Form von Synchrotronstrahlung. Der Energieverlust wird mithilfe zweier
Kryomodule, bestehend aus jeweils zwei Hohlraumresonatoren, wieder ausgeglichen (siehe Foto 3 nächste Seite).
Weitere Erklärungen finden Sie auch in unserem Animationsfilm „Die Reise ins Herz des Beschleunigers von SOLEIL“ auf:
http://www.synchrotron-soleil.fr/Presse/Videos/VoyageAuCoeurAccelerateursSOLEIL
6
Von der Teilchenbeschleunigung bis zur Erzeugung der Strahlung
1. Die Aufgabe der Elektronenkanone ist es
Elektronen so zu bündeln, dass „Elektronenpakete“ mit einer Energie von 90 keV entstehen.
Die Intensität des Elektronenstroms liegt zwischen
10 und 100 mA.
Glühdraht
aus Wolfram
Elektronenstrahl
Goldenes Gitter
Kathode mit auf einem
Potential von -90 keV
Anode auf 0 V
2. Der Hohlraumresonator im Booster
Die Energie der Elektronen wird in einem Hohlraumresonator mithilfe einer
elektromagnetischen Welle konstanter Frequenz von 352 MHz, auf 2,75 GeV
angehoben. Dieser Hohlraumresonator wird von einem Leistungsverstärkersatz
(mit einer Leistung von 35 kW) gespeist.
Das elektrische Potential des goldenen Gitters
am Ausgang der Elektronenkanone erlaubt es,
einen pulsierenden Elektronenstrahl erzeugen:
• Potenzial 0 V: Die Elektronen werden
abgegeben.
• Potenzial bis -100 V: Die Elektronen bleiben
in der Elektronenkanone.
3. Die beiden Kryomodule des Elektronenspeicherrings
Durch die Abgabe von Synchrotronstrahlung in den Dipolen und Undulatoren
verlieren die Elektronen an Energie. Dieser Energieverlust wird bei jeder Runde
von sogenannten Kryomodulen ausgeglichen. Jedes Kryomodul besteht aus zwei
Hohlraumresonatoren, die beide von jeweils vier Verstärkereinheiten (Foto, siehe
unten) mit einer konstanten Frequenz von 352 MHz gespeist werden. Jede Einheit
leistet 50 kW.
Verstärkereinheiten der Hohlraumresonatoren im Speicherring
(vier Einheiten pro Hohlraumresonator oder acht Einheiten pro Kryomodul)
7
Von der Teilchenbeschleunigung bis zur Erzeugung der Strahlung
1.2 Zahlreiche magnetische Vorrichtungen steuern die Elektronen auf ihrer „Reise“
durch den Ring
Die Maschine von SOLEIL ist mit Dutzenden von magnetischen Elementen ausgestattet. Die Dipole, oder auch Umlenkmagnete
(36 innerhalb des Boosters und 32 im Speicherring), sorgen dafür, dass die Elektronen in der Maschine kreisen und somit Energie
in Form von elektromagnetischer Strahlung abgeben. In den geradlinigen Abschnitten des Speicherrings lenken die Undulatoren
die Elektronen durch eine spezielle Magnetanordnung in eine sinusförmige, „zickzackförmige“ Bahn, damit eine noch brillantere
Strahlung erzeugt werden kann. Die Quadrupole (44 im Booster, 32 im Speicherring) und die sogenannten Sextupole (eine
magnetische Anordnung mit sechs Magnetpolen) sind magnetische Linsen: Die Quadrupole bündeln den Elektronenstrahl, während
die Sextupole die chromatischen und geometrischen Fehler korrigieren.
Dipol
Undulator
Foto: HU 640 – Die Beamline „DESIRS“ für den
Spektralbereich von 5 eV bis 50 eV (UV-Strahlung).
SOLEIL besitzt weitere Undulatortypen: U20, HU80,
HU 256…
Länge: 1,05 m – Feld: 1,71 T pro Dipol
Quadrupol
Sextupol
Länge : 0,32 m und 0,46 m
Feld : von 0 T bis circa 0,6 T im Zentrum
Länge : circa 0,20 m
Feld: von 0 T im Zentrum bis circa 0,25 T etwa
3 cm vom Zentrum entfernt
Im Elektronenspeicherring befinden sich 32 Dipole, an jedem Dipol findet eine Umlenkung von 11°25‘ statt. Ein Undulator besteht
aus einer Anordnung von aneinandergereihten Magneten, in zwei gegenüberliegenden Schienen, den sogenannten „Kiefern“ (engl.
Girder; Anm. d. Übers.). Die Elektronenpakete fliegen zwischen den „Kiefern“ hindurch, die sie in eine wellenförmige Bahn (ähnlich
dem Wedeln eines Skifahrers) zwingen. Mit jeder Biegung werden die Elektronen (transversal; Anm. d. Übers.) beschleunigt und
sondern Strahlung ab. Diese Strahlung kumuliert sich mit jeder Umlenkung der Elektronen was die Brillanz erheblich erhöht.
Magnettyp
1020
Brillanz (Photonen/s/mm2/mrad2/0,1%
)
1019
1018
1017
1016
1015
1014
1eV 10eV100eV1keV. . 10keV
Energie der Photonen
Brillanz der Synchrotronstrahlung, abhängig von der Energie der Photonen
verschiedener magnetischer Elemente des Speicherrings SOLEIL (Undulatoren
U20, HU80, HU640, HU256 und Dipol). Innerhalb der Maschine befinden sich
ebenfalls sogenannte Wiggler (von engl.: to wiggle = wackeln), sie funktionieren
ähnlich wie die Undulatoren, allerdings erzeugen sie ein kontinuierliches Spektrum.
Nähere Erläuterungen zur Brillanz der Synchrotronstrahlung finden Sie auf Seite 10.
Die von den Elektronen abgesonderte Energie hängt von der räumlichen Periode
des Undulators (Distanz zwischen den Magneten eines „Kiefers“) und der Distanz
zwischen den beiden „Kiefern“ ab.
8
Von der Teilchenbeschleunigung bis zur Erzeugung der Strahlung
1.3 Wer steuert das Synchrotron?
Einer der neuralgischen Punkte von SOLEIL ist das elektronische Steuerungssystem: Es muss viele verschiedene Systeme miteinander kommunizieren lassen, die jeweils tausende Geräte steuern, von der Elektronenkanone über den Linearbeschleuniger bis
zum Photonenstrahl am Ende der Beamlines und seiner Verwendung für die Experimente.
Vom Kontrollraum aus steuern mehrere Operatoren die gesamte Anlage
(Linac, Booster und Speicherring). Auf Bildschirmen können sie in
Echtzeit die Größe und Position des Elektronenstrahls sowie die Funktion
mehrerer tausend anderer Elemente der Maschine verfolgen.
1.4 Die vier verschiedenen Füllmodi des Synchrotrons
Sobald der Speicherring gefüllt ist, kreisen die Elektronen für mehrere Stunden innerhalb des Rings. Der Elektronenfluss wird nun in
Milliampere gemessen, so als ob es sich um einen kontinuierlichen Strom handle.
I = n.e/t = n.e.v/
•oder: I ist die Intensität des Elektronenflusses (in Ampere),
• n ist die Anzahl der Elektronen, die im Ring gespeichert werden,
• e ist die Ladung der Elektronen (1,6 x 10-19 C),
• v ist die Geschwindigkeit der Elektronen (in diesem Fall nahezu identisch mit c (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: 3 x 108 m.s-1),
• ist die Länge des Speicherrings (354 m)
Im Speicherring kreisen die Elektronen gebündelt in äquidistanten Paketen. Ihre Anzahl bestimmt, welcher Typ von Experimenten an
den Beamlines durchgeführt wird. Der Speicherring kann auf vier verschiedene Weisen mit Elektronen gefüllt sein:
•4/4
• 8 pakete
• 1 paket
• hybrid
Der „4/4- Modus“ liefert Strom mit einer Intensität von 500 mA und leitet einen maximalen Photonenstrom in die Beamlines weiter.
Die Elektronen sind homogen auf 416 Pakete verteilt.
Der Betrieb mit 8 Elektronenpaketen im Speicherring liefert Strom mit einer Intensität von 100 mA. Die Pakete sind ebenfalls
homogen im Ring verteilt.
Befindet sich ein einziges Elektronenpaket im Speicherring, so beträgt der Strom 10 mA.
Im Hybridmodus, dem meistgenutzten, werden die Elektronen in 312 Pakete auf 3/4 des Rings aufgeteilt, während ein isoliertes
Elektronenpaket im restlichen Teil des Rings kreist.
Die drei zuletzt aufgeführten Füllmodi des Speicherrings liefern weniger Photonen an die Beamlines, sie sind jedoch für bestimmte
Experimente, die Zeitauflösung benötigen, sehr nützlich.
9
Die Synchrotronstrahlung
1.5 Die Synchrotronstrahlung
Die von den Elektronen abgegebene Synchrotronstrahlung umfasst alle Wellenlängen, vom Infrarotbereich über den sichtbaren
Bereich und die UV-Strahlung bis hin zur Röntgenstrahlung. Häufig wird der Synchronstrahl auch als „weißer Strahl“ bezeichnet.
Licht besteht aus magnetischen Wellen und kann aufgrund seiner Wellenlänge [Distanz zweier Maxima in Metern (m)], seiner
zeitlichen Periode T [Dauer einer Schwingung in Sekunden (s)] und seiner Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde in
Hertz; = 1/T) definiert werden. Manche Phänomene aber (zum Beispiel Absorption, Photoelektrischer Effekt etc.) können nur erklärt
werden, wenn man sich das Licht als einen masselosen Teilchenstrom, der Energie transportiert, vorstellt – man nennt diese Teilchen
Photonen. Die Energie eines Photons hängt von seiner Wellenlänge und Frequenz [E = h.c./ λ = hλ. (E ist die Energie in Joule; c ist die
Lichtgeschwindigkeit in ms-1; h ist die physikalische Konstante (Plancksches Wirkungsquantum; h = 6,62.10-34 J.s))], sowie von seiner
Wellenlänge λ gemessen in Metern, ab. Licht besitzt sowohl die Eigenschaften einer Welle als auch gleichzeitig die eines Teilchens.
Die von SOLEIL produzierte Strahlung reicht vom Infrarotbereich (10-4 m) bis zu harten Röntgenstrahlen (3.10-11 m) mit einer
Energie von 10-2 eV bis 40 keV. Die Synchrotronstrahlung besitzt nicht nur ein sehr breites Spektrum, sondern ist auch über sieben
Größenordnungen durchstimmbar. Der Nutzer verfügt über die Möglichkeit, eine
Das von einem Dipol hervorgerufene und
Resonanz mit den Atomen oder Molekülen seiner Wahl zu selektieren. Jene kann er nach
abgegebene Licht ist in etwa vergleichseinem experimentellen Bedarf auswählen. Dies ermöglicht eine erhebliche Zeitersparnis.
bar mit dem Lichtstrahl eines Autos, das
sich in einer Kurve befindet und einen
Weitere Eigenschaften der von SOLEIL produzierten Synchrotronstrahlung sind:
•Brillanz . Der intensive Photonenstrahl hat einen sehr kleinen Öffnungswinkel. Die
Strahlung kann so auf sehr kleine Proben fokussiert werden. Daher können einige
Phänomene sehr geringer Intensität, die intensive Anregung brauchen, detektiert werden.
1
Beobachter an einem festen Standort
anleuchtet. Dieser sieht nur einen Lichtkegel passieren. Die kurzen Wellenlängen
befinden sich im Zentrum des Lichtstrahls,
die langen um das Zentrum herum.
•Gepulste Strahlung (Jeder Lichtpuls dauert etwa 15 ps, zwischen den Pulsen liegen
ungefähr 3 ns.) Sie ermöglicht es dynamische Phänomene zu beobachten, wie zum
Beispiel chemische Reaktionen oder molekulare Veränderungen.
• Stabilität: Der Lichtstrahl ist in der Größenordnung weniger Mikrometer (μm) sehr stabil,
dies ermöglicht es, den Lichtstrahl auf kleine Proben zu fokussieren. Die hohe Stabilität
des Synchrotronstrahls betrifft auch seine Intensität, die ebenfalls einen essentiellen
Faktor für die Zuverlässigkeit der Versuchsergebnisse darstellt.
• Polarisation, Sie ermöglicht die Erforschung der Symmetrie der Moleküle, der
Anordnung der Atome auf Oberflächen, magnetischer Phänomene etc.
(1) Die Brillanz (in Photonen/s/mm2/mrad2/0,1%
/ ) ist die Anzahl der Photonen, die pro Sekunde in einer bestimmten Wellenlänge und spektralen Bandbreite
pro Oberflächeneinheit der Quelle und der Einheit des Raumwinkels abgegeben wird. Die Anzahl der pro Sekunde abgegebenen Photonen ist der Photonenfluss
(Photonen/s). Für die meisten Experimente ist die Brillanz eine wichtige Eigenschaft einer Lichtquelle.
10
Die Beamlines
1.6 Die Beamlines : Die Schnittstellen zwischen der Maschine und den Experimenten
Die Synchrotronstrahlung wird vom Speicherring aus in „Beamlines“ weitergeleitet, die tangential an die Vakuumkammer des
Ringes, in dem die Elektronen kreisen, angeschlossen sind. Da die Elektronen gebündelt in kleinen Paketen kreisen, pulsiert die
Synchrotronstrahlung. Wird ein Elektronenpaket umgelenkt, so gibt es Licht ab. Zwischen den einzelnen Elektronenpaketen entsteht
daher keine Strahlung. Für viele Anwendungen kann man jedoch annehmen, dass die Millionen kleiner Lichtblitze pro Sekunde, die
am Ende jeder Beamline ankommen, mit einem kontinuierlichen Lichtstrahl vergleichbar sind.
Die einzelnen Beamlines sind Labors mit einer durchschnittlichen Länge von zwanzig Metern. Jede Beamline hat ihr eigenes
Spezialgebiet. Die Untersuchung einer Zelle nach einem bestimmten Protein mithilfe von Infrarotspektroskopie oder –mikroskopie
und die Untersuchung einer Proteinstruktur mithilfe von Röntgendiffraktion finden an zwei völlig unterschiedlichen Beamlines statt.
Eine Beamline besteht aus drei Teilen (die sogenannten „Kabinen“ oder „Hütten“):
•Die Optikkabine ist die erste Station, die der Lichtstrahl aus einem Ablenkmagenten oder Undulator erreicht. Spiegel und
Monochromatoren selektieren die für die Experimente benötigte Wellenlänge und fokussieren den Lichtstrahl. Die verwendeten
optischen Geräte sind je nach Wellenlänge unterschiedlich (siehe Kapitel 2). Alle optischen Kabinen sind mit Blei abgeschirmt.
•Die Versuchskabine: Die, in der Regel sehr kleine (< 1 mm), Probe wird auf ihrem Halter angebracht. Sie wird vom einfallenden
Strahl beleuchtet und reagiert nun auf unterschiedliche Art und Weise darauf. Ihre Reaktion wird von Detektoren aufgezeichnet,
diese Geräte sind je nach Experiment unterschiedlich. Sehr wichtig sind die genaue Positionierung der Probe und die Justierung
des optischen Weges des einfallenden Lichtstrahls aufgrund der geringen Größe von Lichtstrahl und Probe. Bei jenen Beamlines,
die mit Röntgenstrahlen arbeiten, sind auch die Wände der Versuchskabine mit Blei ausgekleidet, damit keine Strahlung nach
außen dringen kann. Bei den anderen Beamlines sind die Versuchskabinen entweder von ungeschützten Wänden umgeben oder
befinden sich direkt in der Versuchshalle.
•Der Arbeitsraum: In diesem Raum verrichten Forscher und Ingenieure zahlreiche ihrer Aufgaben. Sie greifen in Experimente ein,
zum Beispiel um die Position der Probe, die Fokussierung des Lichtstrahls oder die Wellenlänge zu überprüfen und gegebenenfalls
zu korrigieren. Zudem verfolgen sie die Datenerfassung der Ergebnisse durch elektronische und informatische Systeme. In diesem
Raum befindet sich gewöhnlich auch die Kaffeemaschine…
•Das elektronische und informatische Kontrollsystem jeder Beamline ist komplex. Es ermöglicht zum Beispiel den Zugang
zum aktuellen Wert des Stroms im Speicherring, das Schließen der „Kiefer“ eines Undulators, das Starten der Datenerfassung der
Ergebnisse und, nicht zuletzt, das Speichern der gewonnenen Ergebnisse. Eine so gute Koordination der zahlreichen Maschinen
zu gewährleisten ist eine wahre Herausforderung.
Booster
Elektronenspeicherring
Linac
Elektronenkanone
Optikkabine
Speicherring
Beamline
Arbeitsraum
Synchrotronstrahlung
Monochromator
11
Die Beamlines
1.7 Die Spektralbereiche der Beamlines
Die Beamlines von SOLEIL sind auf Spektralbereiche von Infrarot- bis hin zu harter Röntgenstrahlung spezialisiert.
Longueur d’onde
Energie (eV)
PUMA
12
Die optischen Systeme
2. Steuern, Filtern, Fokussieren, Beleuchten: Die optische Feinarbeit
Die optischen Geräte, mit denen eine Beamline ausgestattet ist, geben dem Lichtstrahl die für das Experiment gewünschten
Eigenschqften. Sie lenken ihn in die richtige Richtung, filtern die gewünschte Wellenlänge heraus und fokussieren schließlich
ein Maximum von Photonen auf die Probe. Jede Beamline ist auf einen bestimmten Bereich (Infrarotspektroskopie,
UV-Spektroskopie, Röntgendiffraktion, etc.) spezialisiert. SOLEIL legt großen Wert auf die Innovation von Instrumentation
und fördert sie vor allem in Hinblick auf optische Technologien.
Im Schulunterricht beschränkt sich der Lehrplan beim Thema Optik nahezu lediglich auf das für das menschliche Auge Sichtbare
und jene Materialien, die allgemein als „perfekt“ gelten (das heißt sie weisen zum Beispiel perfekte Transparenz (Glas) oder
vollkommene Reflexion (Spiegel) auf).
In einem Forschungszentrum, in dem Synchrotronstrahlung produziert und mit einem breiten Spektrum an Wellenlängen gearbeitet
wird, stehen die optischen Geräte oft vor komplexen Aufgaben. Die erzeugte Strahlung, die von Infrarotstrahlung bis zu harter
Röntgenstrahlung reicht, muss für die Experimente in den verschiedenen Bereichen auf unterschiedliche Art und Weise fokussiert
und gefiltert werden. Zudem müssen die Geräte, um höchste Qualitätsstandards zu erfüllen, sehr sorgfältig gehandhabt und
bestimmte Oberflächen müssen poliert werden - schon kleinste Unebenheiten auf der Materialoberfläche (zum Beispiel Kratzer)
können einen Störfaktor für die korrekte Verwendung der Strahlung darstellen. Die Unebenheiten müssen geringer sein als die
Wellenlänge der verwendeten Strahlung (für Röntgenstrahlung also sehr viel kleiner als ein Mikrometer…).
Die optischen Geräte einer Beamline, die mit Röntgenstrahlung arbeitet:
1 : Spaltblende - 2 : Filter - 3 : Monochromator - 4 : Spiegel - 5 und 6 : Detektoren
Die Abbildung zeigt den Aufbau einer Beamline, die mit Röntgenstrahlen arbeitet. Sie ist über 30 m lang. Um jeglichen Energieverlust
zu vermeiden, wird der Lichtstrahl durch eine Reihe von Vakuumkammern geleitet.
Auf der Abbildung kann man erkennen, dass der Lichtstrahl durch eine Spaltblende geleitet wird, um ihn für die optischen Geräte
der Beamline zu begrenzen. Der Filter absorbiert die Strahlung mit niedriger Energie, vor allem Infrarot- und jede andere sichtbare
Strahlung, um eine zu starke Erhitzung der im Folgenden verwendeten optischen Geräte zu vermeiden. Mithilfe des Monochromators
wird daraufhin die für das Experiment erforderliche Wellenlänge aus dem Lichtstrahl selektiert. Schließlich fokussieren die Spiegel
den monochromatisierten Strahl auf die Probe.
Das Experiment besteht eigentlich aus der Analyse der Reaktion, die die Probe unter dem Einfluss des Lichtstrahls zeigt. Diese wird von
einem Detektor aufgezeichnet, der speziell für die möglichen von der Probe abgegebenen Signale (Absorption, Fluoreszenzemission
oder die Abgabe von Photoelektronen, Beugung, etc.) konzipiert wurde.
13
Die optischen Systeme
2.1 Die Arbeitsgeräte für den optisch sichtbaren Bereich
Viele Geräte, die für den sichtbaren Bereich der Optik verwendet werden, sind mit Spiegeln (oft in Verbindung mit Linsen
und Prismen) ausgestattet, so zum Beispiel Ferngläser, Teleskope, Mikroskope, Fotoapparate, etc.
Hohlspiegel ermöglichen eine Fokussierung oder Parallelisierung des
eintreffenden Lichtstrahls. Sphärische Hohlspiegel sind am einfachsten
herzustellen, allerdings können sie nur jene Strahlen richtig fokussieren, die
nahe der optischen Achse verlaufen. Für die anderen Strahlen, die weiter
entfernt von der Achse verlaufen (die Bedingungen der Gaußschen Optik
treffen nicht zu), treten optische Abbildungsfehler, sogenannte Astigmatismen,
ein. Bei Parabolspiegeln tauchen diese Abbildungsfehler nicht auf, da alle
parallel zur Achse verlaufenden Lichtstrahlen auf den Brennpunkt des Spiegels
fokussiert werden. Diese Eigenschaft ist sehr nützlich für die Konstruktion von
Radargeräten, Satellitenschüsseln, Solarkochern, etc.
Merken wir uns: Alle Wellenlängen (im sichtbaren Bereich Farben) haben
denselben optischen Weg - im Gegensatz zu den optischen Linsen gibt es
daher bei Spiegeln keine chromatischen Probleme.
Parabolspiegel
Brechungslinsen erzeugen durch die Refraktion (Lichtbrechung) des Lichtstrahls die Fokussierung, die von den Hohlspiegeln per
Reflexion produziert wird. Bei der Konstruktion eines optischen Systems mit Linsen können zwei Fehler auftreten: Zum einen der
chromatische Effekt, der von der Änderung des Lichtbrechungsindexes des Linsenmaterials mit der Wellenlänge abhängt, sowie zum
anderen der Astigmatismus, der von der Linsenform abhängt.
Der Lichtbrechungsindex variiert mit der Wellenlänge und die einzelnen
Farben werden nicht auf genau derselben Distanz fokussiert, dies bezeichnet
man als den chromatischen Effekt. Bei effizienten Geräten korrigiert man
diesen Abbildungsfehler, indem man ein Ensemble unterschiedlicher Linsen
und Materialien verwendet.
Wie auch bei den sphärischen Hohlspiegeln, können nur diejenigen Lichtstrahlen,
die nahe der optischen Achse einer Linse verlaufen, auf den Brennpunkt fokussiert
werden (Gaußsche Optik oder auch paraxiale Optik genannt). Parabolische
oder hyperbolische Formen ermöglichen es, diesen Abbildungsfehler der von
der Achse weiter entfernten Lichtstrahlen zu reduzieren, allerdings ist ihre
Herstellung wesentlich aufwändiger.
Die Monochromatoren: Ein Monochromator ermöglicht das Auswählen einer bestimmten Wellenlänge. Er funktioniert auf der
Grundlage eines dispersiven Systems, wie zum Beispiel ein Prisma, ein optisches Gitter oder ein mehrschichtiges System. Das Prisma
wurde als erstes optisches System für die Konstruktion von
Monochromatoren im sichtbaren Bereich verwendet. Nach und
nach wurde es durch optische Gitter ersetzt, die eine größere
Dispersion der Wellenlängen und somit eine bessere spektrale
Auflösung ermöglichen. Dabei sind sie weniger schwer und
weniger sperrig als eine Prismenkonstruktion.
Der Lichtstrahl tritt durch eine Spaltblende ein (1), wird dann
an einen Kollimator weitergeleitet (2) und dort von einem
Hohlspiegel parallel reflektiert. Der Monochromator (3), hier ein
optisches Gitter, streut die weiße Strahlung. Anschließend sorgt
ein Fokussierungssystem (4) dafür, dass die verschiedenen
Lichtstrahlen auf einen Ausgangsspalt (5) fokussiert werden.
Durch Änderung seiner Position selektiert man unterschiedliche
Wellenlängen.
Nun kann man das durch den Spalt einfallende Licht untersuchen
(dies ist das Prinzip eines Spektrographen) oder die ausgewählten
Strahlen auf eine Probe lenken, um deren Reaktion zu beobachten.
Schema eines Spektrographen mit Monochromator (optisches Gitter)
14
Die optischen Systeme
2.2 Die Fokussierung von UV- und Röntgenstrahlung: Die Kirkpatrick-Baez-Spiegel
UV : 400 nm > > 100 nm
VUV : Vakuum UV-Strahlung
Extrem-UV (EUV): 100 nm >
X (Röntgenstrahlung): 10 nm > > 0,01 nm
X (weiche Röntgenstrahlung): 10 nm > > 0,1 nm → wird absorbiert
X (harte Röntgenstrahlung): 0,1 nm > > 0,01 nm → durchdringt
> 10 nm
Röntgenstrahlung, die auf einen Spiegel trifft, durchdringt das Material ohne dabei erheblich reflektiert zu werden, es sei denn sie
trifft mit streifendem Einfallswinkel auf das Material auf.
Im Bereich der Röntgenstrahlung ist der Brechungsindex
von Materialien geringer als der des Vakuums oder der Luft,
da er weniger als 1 beträgt. Beim Wechsel von Vakuum (oder
Luft) zu einem Feststoff wie zum Beispiel Silizium, richten sich
die Röntgenstrahlen eher nach einem weniger lichtbrechenden
Bereich aus. Insofern sie einen geeigneten Einfallswinkel besitzen,
können sie nun total reflektiert werden.
Innerhalb der Beamlines des Elektronenspeicherrings
treffen die Strahlen mit streifenden Einfallswinkel auf, und die
Brennweiten betragen mehrere Meter. Unter diesen Umständen
ist der Radius des Hohlspiegels groß und die Länge der Spiegel
ist ebenfalls, um eine beachtliche „Menge“ des Lichtstrahls zu
sammeln.
Die Länge der Spiegel ist größer als ein Meter im Bereich der Röntgenstrahlung.
Totalreflexion bei streifendem Einfallswinkel
Wie auch das sichtbare Licht kann man Röntgenstrahlen mit
Hohlspiegeln fokussieren, allerdings muss man darauf achten,
dass der Lichtstrahl immer einen streifenden Einfallswinkel
aufweist (der Einfallswinkel auf den Spiegel ist gewöhnlich
kleiner als 1°). Hier weichen die Strahlen vom Normalfall ab,
die Bedingungen der paraxialen Optik sind also nicht mehr
gegeben und die sphärischen Hohlspiegel erzeugen einen
stark ausgeprägten astigmatischen Abbildungsfehler. Sie
werden durch vorteilhaftere Spiegel, torische- oder noch besser
elliptische Spiegel, ersetzt.
Um die Strahlen auf einen Punkt zu fokussieren wird oft ein KirkpatrickBaez-Spiegelsystem verwendet, das aus zwei aufeinanderfolgenden
Spiegeln besteht, bei denen die Krümmungsradien senkrecht
zueinander stehen.
Bei schwach gekrümmten Spiegeln verwendet man dünne, flache
Spiegel, die relativ leicht herzustellen sind (zum Beispiel aus „Glidcop“,
einer Legierung auf Kupferbasis, die fest und zugleich elastisch genug
sowie wärmeleitend ist).
Durch mechanische Biegebelastung des Spiegelmaterials an den
äußeren Enden, kann man flache oder torische Spiegel zu elliptischen
Spiegeln dehnen.
Reduzierung des astigmatischen Abbildungsfehlers
Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystem (KB)
15
Die optischen Systeme
2.3 Auswählen einer Wellenlänge im UV- und Röntgenstrahlbereich – die Monochromatoren
Verschiedene Monochromator-Typen als
Funktion der Wellenlänge
• Das Optische Beugungsgitter ( ≈ 10 nm)
Die Monochromatoren für die Anwendung für UV- und Extrem-UV-Strahlung
( ≈ 10 nm entsprechend 100 eV) basieren auf optischen Gittern. Sie werden
häufig in Reflexion eingesetzt, da die Wahl des Einfallswinkels ermöglicht, einen
beachtlichen Teil der Reflexion im ultravioletten Bereich zu erhalten. Je weiter man
mit einer kürzeren Wellenlänge im Röntgenbereich arbeitet, desto mehr muss
man einen streifenden Einfallswinkel wählen, um von der totalen Reflexion
profitieren zu können. Dadurch verliert allerdings ein Teil des Lichtstrahls an Höhe.
Wenn das Licht nicht mehr ausreicht, nimmt man andere optische Systeme zur
Hilfe: zuerst mehrschichtige Spiegel, dann Kristalle.
Selektion einer Farbe pro Bereich
• Mehrschichtige Spiegel ( ≈ 1 nm à 0,1 nm)
Für die „weichen“ Röntgenstrahlen ( ≈ 1 nm entspricht 1 keV) verwendet man
seit den 1980er-Jahren sogenannte „mehrschichtige“ Beschichtungen auf dem
Spiegelmaterial, die eine geeignete Dicke (mehrere Dutzend Ångström) besitzen.
Früher verwendete man dünne Schichten aus natürlichen Stearaten (Salze der
Stearinsäure), die auch Langmuir-Blodgett-Schichten genannt wurden. Heute
werden andere Methoden angewandt, um diese Schichten zu erzeugen. Man kann
die Schichten nun im Vakuum auf das Spiegelmaterial aufdampfen, die Schichten
bestehen abwechselnd aus Elementen mit hoher bzw. niedriger Kernladungszahl
Z (üblicherweise Wolfram - Kohlenstoff, Moybdän – Kohlenstoff, Wolfram –
Silizium). Bei diesen Schichten lassen sich Interferenzeffekte ausnutzen. Da die
Strahlung mehrere Schichten durchdringt, sind auch mehrere Schichtübergänge
Mehrschichtige Spiegel
an der Interferenz beteiligt. Dies verstärkt die Reflexion und die Selektivität der
Wellenlänge. Die Interferenzen sind dann konstruktiv, wenn sich die von den Schichten reflektierten Wellenlängen addieren und
dabei die sogenannte Bragg-Bedingung erfüllen: 2.d.sin = n.
Damit die von der ersten und zweiten Schicht reflektierten Wellen in Phase austreten können (siehe Abb. weiter oben), müssen sie
um ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ zueinander verschoben sein. Die Welle, die von der zweiten Schicht reflektiert
wird, legt eine größere Distanz zurück, als die andere. Die Differenz der von den Lichtwellen zurückgelegten Strecken beträgt 2.d.sin
θ. Die Distanz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten wird mit dem Buchstaben d bezeichnet. Der Winkel zwischen dem
einfallenden Strahl und der Oberfläche θ ist die Multiplizität, eine ganze natürliche Zahl.
Man filtert also die reflektierte Wellenlänge durch das Variieren des Einfallswinkels .
w Interferenzen
Bewegen sich die beiden Wellen, die sich überlagern, phasengleich, besitzt die resultierende Welle
eine Amplitude die der Summe aller Amplituden entspricht. Es findet also eine konstruktive Interferenz
zwischen den beiden Wellen statt, und man kann ein Maximum an Licht beobachten. Bewegen sich die
beiden sich überlagernden Wellen gegenphasig, so besitzt die resultierende Welle eine Amplitude von
Null. Man kann also eine destruktive Interferenz, die die Erzeugung von Licht verhindert, beobachten.
Wenn zwischen den beiden Wellen eine andere Phasenverschiebung besteht, weist das resultierende
Licht eine mittlere Amplitude auf.
16
Die optischen Systeme
• Die Kristalle ( ≈ 0,1 nm)
Für die „harte“ Röntgenstrahlung (λ ≈ 0,1 nm entsprechend ≈10 keV
Energie), entspricht die geeignete Dicke der Schichten einem Durchmesser
von wenigen Atomen. Auf dieser Skala erreicht die Nutzung von
mehrschichtigen Spiegeln eine physikalische Grenze. Nun muss auf Kristalle
zurückgegriffen werden. Kristalle sind eine geschichtete Abfolge atomarer
Ebenen in regelmäßigen Abständen von einigen Ångström. Sie übernehmen
die gleiche Aufgabe analog zu Spiegelschichten, allerdings sind, aufgrund
des Durchdringens vieler atomarer Ebenen, viele von ihnen an der
Interferenz mit den Röntgenstrahlen beteiligt. Jeder Kristall zeichnet sich
durch die Distanz d zwischen den atomaren Ebenen und seine inter-retikuläre
Distanz aus. Zum Beispiel: d ist gleich:
•
•
•
•
1,64 Å für die Ebene des Silicium-Kristalls 311 (gelesen drei eins eins),
3,14 Å für die Ebene des Silicium-Kristalls 111,
3,74 Å für die Ebene des Indium-Antimon-Kristalls (In-Sb),
7,97 Å für die Ebene des Beryll-Kristalls Be3 Al2 (SiO3)6.
Bragg-Reflektion in einem Kristall
So wie bei einem mehrschichtigen Spiegel werden auch bei einem gegebenen Kristall nur die Wellenlängen reflektiert, die die
Bragg-Bedingung erfüllen: λ = (2.d.sin θ)/n.
Man selektiert nun also die reflektierte Wellenlänge durch Variation des Einfallswinkels θ. Im Gegensatz zu den mehrschichtigen
Spiegeln, wo die einzelnen Oberflächen parallel zur Grundfläche sind, enthält ein Kristall zahlreiche „Gruppen“ atomarer Ebenen
mit unterschiedlicher Ausrichtung, die für die Bragg-Reflektion (Bragg-Bedingung) genutzt werden können.
In den Beamlines müssen sowohl die Lichtquelle als auch die Experimentiergeräte in einer festen Position zueinander gehalten
werden dort verwendet man häufig eine Vorrichtung mit zwei Kristallen.
Mit einem Computer kann der Winkel zwischen den Hauptachsen der
beiden Kristalle gesteuert werden um die gewählte Wellenlänge variieren
zu können. Dabei wird die Position des austretenden monochromatischen
Lichtstrahls nicht verändert. Des Weiteren treten von den vom ersten
Kristall reflektierten Wellenlängen nur jene wieder aus, die auch die BraggBedingung des zweiten Kristalls erfüllen.
Montage à deux cristaux
2.4 Ein spezielles Verfahren für Infrarotstrahlung
Das Infrarotlicht ist eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 1 μm bis 103 μm. Der Spektralbereich wird
unterteilt in nahes Infrarot, mittleres Infrarot und fernes Infrarot.
Im Bereich von 1-100 μm stellt SOLEIL eine Quelle hoher Brillanz dar, etwa der tausendfachen Intensität einer konventionellen
Infrarotquelle, wie zum Beispiel der Globar (ein elektrisch auf etwa 1500°C erhitztes Siliziumcarbid-Stäbchen).
Unterteilung des Infrarotbereichs
17
Die optischen Systeme
Die Infrarot-Beamline ist eine Kombination aus flachen Spiegeln und Hohlspiegeln, und wird in zwei Bereiche eingeteilt:
•Vom Elektronenspeicherring bis zum Ausgangsfenster für den Lichtstrahl, welches oftmals aus Diamant besteht und eine Dicke
von ca. 1mm hat, herrscht Ultrahochvakuum. Dieser Bereich dient dazu, das Licht der Infrarotquelle auf das Diamantfenster zu
fokussieren und die hochenergetische Strahlung herauszugefiltern. Zum Beispiel die Röntgenstrahlung, die durch einen, in der
Mitte des ersten Spiegels positionierten, Spalt ausgeblendet wird, die Röntgenstrahlen befinden sich nämlich hauptsächlich in
der Mitte des Photonenstrahls.
•Ab dem Diamantfenster befinden sich die optischen Arbeitsgeräte nur noch im Vorvakuum oder an Luft. Sie dienen dazu, einen
parallelen Strahl zu erzeugen, der in Richtung des Spektrometers führt.
(A) Der parallele Lichtstrahl trifft auf das Infrarot-Spektrometer.
(B) Im Michelson-Interferometer wird er durch Bewegung eines Spiegels moduliert. .
(C) Am Ausgang des Interferometers wird der modulierte Lichtstrahl in Richtung der Probenkammer gelenkt. Auf der unten zu sehenden Abbildung handelt
es sich um ein Mikroskop mit Schwarzschild-Spiegelobjektiven.
(D)Beim Durchdringen des Versuchsmaterials erfährt der Lichtstrahl eine selektive Absorption. Das vom Detektor aufgezeichnete Signal erscheint wie ein
Interferogramm, das heiβt wie die Veränderung der Intensität des Ausgangslichtes als Funktion der Position des beweglichen Spiegels. Um die Qualität der
Informationen zu verbessern, durchlaufen die beweglichen Spiegel um mehrere Zyklen und es wird ein Mittelwert der einzelnen Interferogramme berechnet.
Das erhaltene Interferogramm wird mit der Fourier-Transformation analysiert, hierbei handelt es sich um eine mathematische Operation, die von einem
Computer durchgeführt wird. Sie ermöglicht es, alle konstitutiven Wellenlänge zu bestimmen (Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge) und so ein
Infrarotspektrum zu erzeugen.
w Die Infrarotspektroskopie mit Fourier-Transformation: Interferometer statt Monochromator
In der Infrarotspektroskopie verwendet man nahezu keine Monochromatoren mehr. Das dispergierende Spektrometer, das, um
die Wellenlängen zu filtern, mit einem Prisma und einem optischen Gitter ausgestattet ist, wird immer seltener verwendet. Dies
liegt an der sehr langen Analysezeit (da das Spektrum Schritt für Schritt erstellt wird), an der, durch die Gröβe des Ausgangsspalts
begrenzten Auflösung und an dem schwachen Signal, das der Detektor sieht.
Heute verwendet man ein Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (bekannt seit 1970), in dem der Monochromator durch
ein Michelson-Interferometer ersetzt wird. Die Auswertungszeit ist hier wesentlich kürzer, da alle Wellenlängen simultan gemessen
werden können.
18
Die Magnetfelder
3. Die Magnetfelder
3.1 Magneten, Dipole, Elektrische Schaltungen und… die Erde
Ein Magnet ist ein Körper, der um sich herum ein magnetisches Feld erzeugt. Dieses Feld übt (oder
induziert) eine magnetische Kraft auf alle bewegten geladenen Teilchen (besonders Elektronen in
Materie) aus. Ein Magnet besitzt zwei Pole, einen Nord- und einen Südpol, an dem die magnetische
Kraft am stärksten ist. Der einfachste Magnet ist ein Stabmagnet, häufig auch „Dipol“ genannt. Nach
gängiger Konvention tritt das Feld am Nordpol des Magneten aus, bildet eine Feldlinie (an allen Punkten
tangential zum Feldvektor) und tritt am Südpol wieder in den Magneten ein. Die Feldlinien kreuzen sich
nie, sie treten aus der magnetischen Materie aus und wieder hinein. Sie konzentrieren sich immer dort,
wo die magnetische Kraft am stärksten ist und sind dort weiträumig verteilt, wo sie am schwächsten
ist. Auf Zeichnungen wie der nebenstehenden sind die Feldlinien oft auf einer Ebene dargestellt, in der
Realität aber breitet sich das Feld im dreidimensionalen Raum aus.
Im 13. Jahrhundert versuchte Pierre Pèlerin de Maricourt vergeblich einen Monopol, also einen Magneten mit einem einzigen Pol,
zu isolieren, indem er einen magnetischen Metallstift in zwei Teile schnitt und anschließend einen der beiden übriggebliebenen Teile
nochmals in zwei Hälften teilte. Bei jeder Teilung entstanden jedoch immer wieder zwei neue Pole. Des Rätsels Lösung fand man
jedoch erst im 20. Jahrhundert: Das Elektron selbst ist ein dipolarer Magnet!
In der Elektrizität ist die elektrische Ladung das kleinste elementare Objekt. Was den Magnetismus betrifft, liegen die Dinge jedoch
nicht ganz so einfach.
N
S
Magnetischer Dipol
Magnetfeld eines Dipols
Eine « elementare magnetische Ladung » gibt es nicht, man kann aber mit Bestimmtheit sagen, dass das kleinste Magnetfeld
von einem einzelnen geladenen Teilchen in Bewegung erzeugt wird. Wir definieren das Grundmodell des Magnetismus, den
magnetischen Dipol, als eine kreisende Ladung. Wir teilen ihm einen Nord- und einen Südpol zu, analog zum Magnetfeld eines
Magneten, und berechnen sein magnetisches Moment:
I
Magnetfeld einer von einem Strom
Magnetfeld eines
Magnetfeld
durchlaufenen Spule
Stabmagneten
der Erde
Diese Magnetfeldform, die eines eines Dipols, ist gut bekannt. In der Mitte befindet sich
ein Stabmagnet. Seit der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion durch Faraday ist
allgemein bekannt, dass eine Spule mit einem Dipol vergleichbar ist. Die Erde letztlich besitzt
ein solches Magnetfeld aufgrund der Bewegung ihres eisernen Kerns. Es ist vergleichbar mit
dem Magnetfeld eines Stabmagneten. Dieser befände sich in diesem Fall im Zentrum der
Erde und dem magnetischen Südpol in der Nähe des geographischen Nordpols.
19
Visualisierung des
Magnetfeldes
Das Magnetfeld kann mithilfe von
Eisenfeilspänen einfach visualisiert
werden.
Der Magnetismus
3.2 Auf atomarer Skala : Das magnetische Moment der Atome
Auf atomarer Skala sind die Bewegung der Elektronen um den Kern herum und ihr sogenannter „Spin“ (von engl.: spin
„Drehung“, „Drall“) die Bestandteile des atomaren magnetischen Moments, das selten Null beträgt. Dahingegen scheint
die Taktik der chemischen Bindungen die Elimination aller magnetischen Momente der geformten Moleküle zu sein –
allerdings nicht immer.
Die Elektronen sind ein wesentliches Element des Magnetismus, durch ihr Verhalten erklären sich quasi alle magnetischen
Eigenschaften der makroskopischen Materie. Die Elektronen leisten einen doppelten Beitrag, da jedes von ihnen ein orbitales
magnetisches Moment (die Ladung bewegt sich rund um den Atomkern herum) sowie sein eigentliches magnetisches Moment,
„Spin“ genannt, besitzt. (Der Spin wird oft mit der Rotation des Elektrons um seine eigene Achse verwechselt, da sich dieses Bild,
obwohl falsch, gut dazu eignet, diesen Effekt darzustellen.) Das magnetische Moment eines Atoms ist die Summe der magnetischen
Momente aller Elektronen, die es enthält.
Der Spin
Sind zwei Elektronen gepaart (dabei formen sie ein Paar mit jeweils entgegengesetzten
Spins), so sind ihre magnetischen Momente in entgegengesetzt und heben sich
gegenseitig auf. Sobald die Schalen des Atoms vollständig mit Elektronen belegt
sind, heben sich die magnetischen Momente der Elektronen auf, das resultierende
magnetische Moment beträgt somit Null.
Orbitale Moment
Diejenigen Atome, deren Schalen nicht vollständig besetzt sind, besitzen ein magnetisches Moment.
•Der Magnetismus ist eine Eigenschaft der nicht vollständig besetzten Schalen.
Wasserstoff
H (Z=1)
1s1
Helium
He (Z=2)
1s2
Lithium
Li (Z=3)
1s2 2s1
Beryllium
Be (Z=4)
1s2 2s2
Elektronenkonfiguration der ersten vier Elemente des Periodensystems von Mendelejew.
Man kann erkennen, dass Wasserstoff- und Lithiumatome, die eine nicht vollständig mit Elektronen besetzte Subschale besitzen, magnetisch sind.
Helium- und Berylliumatome, die vollständig besetzte Schalen besitzen, sind nicht magnetisch.
Im ungebundenen Zustand besitzt eine Mehrheit der Elemente (79 der 103 Elemente des Periodensystems) ein magnetisches
Moment. Wenn sich die Atome aber in einer chemischen Verbindung befinden, sind die Elektronen nicht mehr in den
einzelnen Atomen isoliert: Die Elektronen finden sich in Paaren mit entgegengesetzten Spins zusammen, daraufhin füllen sich die
Elektronenschalen und nur eine kleine Anzahl an Elementen behält ein permanentes magnetisches Moment.
Dies trifft unter anderem auf die Lanthanoide zu, bei denen die äußere 6s-Schale komplett gefüllt ist, und die unvollständige
4f-Schale abschirmt. Die 3d- und 4f-Schalen bleiben unvollständig, selbst wenn sich die Elemente im Festzustand (zum Beispiel
ein Eisenstab) befinden. Diese Schalen behalten also einen starken Magnetismus.
Elektronenkonfiguration von Eisen (Z = 26)
20
Der Magnetismus
Man unterteilt Materialien nach ihrem magnetischen Verhalten in fünf Klassen: Diamagnetisch, paramagnetisch, ferromagnetisch,
antiferromagnetisch, ferrimagnetisch.
Magnetismus der puren Elemente im festen
Zustand. Die roten Kästchen kennzeichnen
jene Elemente, die eine starke Magnetisierung
aufweisen können.
Diamagnetisch
Paramagnetisch
Ferromagnetisch
Antiferromagnetisch
Die gelben und grünen Kästchen kennzeichnen
jene Elemente, die im Festzustand kein
magnetisches Moment besitzen. Bei den
Elementen der zweifarbigen Kästchen hängt der
Magnetismus von der äußeren Temperatur oder
dem Druck ab.
(Ref. 1; Band 1, S. 95, mit Änderungen)
Die folgende Tabelle visualisiert in vereinfachter Form die Verteilung der magnetischen Momente in verschiedenen Materialklassen
in festem Zustand.
Sehr starkes
Magnetfeld
Schwaches bis
mittleres Magnetfeld
Unabhängig vom
Magnetfeld
(1)
(2)
Material
Zusammenfassend :
Kupfer, Zink, Blei,
Silber, Gold, Glas,
Plastik, Kautschuk,
Holz, etc.
Die Atome besitzen kein
magnetisches Moment. In einem
Magnetfeld: Schwache Magnetisierung
entgegen der Feldrichtung (das Material
wird abgestoßen), die sich auflöst, wenn
das Feld verschwindet.
Magnesium, Kalium,
Natrium, Aluminium,
Molybdän, Platin, etc.
Die Atome besitzen magnetische
Momente, die in alle Richtungen
ausgerichtet sind (Resultierende ist
Null). In einem Magnetfeld: Schwache
Magnetisierung in Feldrichtung, die sich
auflöst, wenn das Feld verschwindet.
Eisen, Kobalt, Nickel
und Lanthanoide
(Gadolinium, Terbium,
Dysprosium, etc.)
Die Atome besitzen kleine
magnetische Bereiche mit eigenen
Momenten (Resultierende Null)1.
In einem Magnetfeld: Starke
Magnetisierung in Feldrichtung,
die erhalten bleibt, wenn das Feld
verschwindet.
Chrom, Mangan
Ferrite: z. B.
Magnetit oder
Magneteisenstein
(Fe3O4).
Sehr starkes
Magnetfeld
Ferrimagnetisch
Antiferromagnetisch.
Ferromagnetisch
Starkes Magnetfeld
Resultierende
Diamagnetisch
In einem
Magnetfeld
Paramagnetisch
Ohne
Magnetfeld
Die Atome besitzen nicht-parallele
und gleichwertige magnetische
Momente (Resultierende Null)2.
In einem Magnetfeld: Schwache.
Magnetisierung in Feldrichtung, die sich
auflöst, wenn das Feld verschwindet.
Die Atome besitzen in lokalen
Bereichen nicht-parallele und
nicht gleichwertige magnetische
Momente (Resultierende Null)1,2.
In einem Magnetfeld: Starke
Magnetisierung in Feldrichtung, die
erhalten bleibt, selbst wenn das Feld
"verschwindet.
In diesen Bereichen in der Größenordnung von 1/10 mm, die auch Weisssche-Bezirke genannt werden, sind die magnetischen Momente der Atome anein
ander ausgerichtet.
Diese Eigenschaften gelten bis zu einer gewissen Temperaturgrenze (Néel für die antiferromagnetischen und Curie für die ferrimagnetischen Materialien).
Oberhalb dieser Temperaturgrenze werden die Materialien paramagnetisch. .
21
Der Magnetismus
3.3 Magnetismus am SOLEIL – Steuerung und Fokussierung der Elektronen im Speicherring
Die Steuerung und Fokussierung des Elektronenstrahls (allgemeiner eines Strahles aus geladenen Teilchen) basiert auf der Kraft
F, die auch Lorentzkraft genannt wird. Die Lorentzkraft wirkt wie folgt auf ein Elektron mit der Ladung q, das sich innerhalb eines
elektrischen Feldes E und eines magnetischen Induktionsfeldes B mit einer Geschwindigkeit v bewegt:
ist die elektrische Komponente und
ist die magnetische Komponente .
Im Synchrotron (Linac, Booster, Speicherring) befinden sich Magnete dreier verschiedener Arten, die diese magnetische Komponente
in der Maschine ausnutzen: Die Dipole sorgen für die Umlenkung des Elektronenstrahls, die Quadrupole gewährleisten seine
horizontale und vertikale Fokussierung und die Sextupole dienen zum Ausgleich des chromatischen Effekts.
Magnetfeld des Dipols, Quadrupols und Sextupols
• Die Dipolmagnete
Die Dipolmagnete (oder Umlenkmagnete) bestehen aus zwei Spulen, durch die elektrischer Strom fließt. Sie erzeugen ein permanentes
Magnetfeld, das die Umlaufbahn der Elektronen krümmt. Die Lorentzkraft F wirkt stets senkrecht zu v und B. Um ihre Richtung zu
bestimmen, kann man die Faustregel verwenden: Wird
ein stromdurchflossener Leiter mit der rechten Hand
so umfasst, dass der abgespreizte Daumen in Richtung
der konventionellen bzw. technischen Stromrichtung
weist, zeigen die gekrümmten Finger in Richtung des
entstehenden Magnetfeldes. Dank seines Magnetfeldes
von 1,71 Tesla, biegt jeder Dipol im Elektronenspeicherring
von SOLEIL die Elektronenlaufbahn um 11°25’. Um die
gesamte Umlaufbahn der Elektronen zu biegen werden 32
Dipole benötigt.
• Die Quadrupolmagnete
Ein Quadrupolmagnet bringt die Elektronen wieder auf die
mittlere Umlaufbahn. Er wirkt in die eine Richtung fokussierend,
während er in die andere Richtung defokussiert. Um die
Fokussierung des Elektronenstrahls in beide Richtungen
zu ermöglichen, müssen die Polaritäten der Quadrupole
vertauscht werden. So wird ein ähnlicher Effekt wie bei
aufeinanderfolgenden konkaven und konvexen optischen
Linsen erzeugt.
Auf die X-Achse fokussierend,
auf die Z-Achse defokussierend
Auf die Z-Achse fokussierend,
auf die X-Achse defokussierend
• Die Sextupolmagneten
Die Aufgabe der Sextupole ist es, den chromatischen Effekt auszugleichen [in der klassischen Optik spricht man auch von
der chromatischen Aberration (von griech. chroma = die Farbe und lat. aberrare = abschweifen) aufgrund verschiedener
Fokussierungspunkte mit unterschiedlichen Wellenlängen]. Die Sextupole werden als Ergänzung der Quadrupole in das Synchrotron
integriert, damit deren Fokussierung unabhängig von der Energie der Elektronen wird.
22
Das Ultrahochvakuum
4. Das Ultrahochvakuum
Die Synchrotronstrahlung wird von relativistischen Elektronen, die im Vakuum des Speicherrings von SOLEIL kreisen,
abgegeben. Um leistungsstarkes Licht zu produzieren, muss der Elektronenstrahl sowohl in Hinblick auf seine Umlaufbahn
als auch seine Intensität eine hohe Stabilität besitzen. Dafür müssen Stöße zwischen Elektronen und den Molekülen des
Restgases vermieden werden! Ein gutes Ultrahochvakuum ist daher unentbehrlich.
Das Vakuum ist ein Raum, in dem die Anzahl der vorhandenen Moleküle stark reduziert ist. Das Vakuum selbst hat erlaubt keine
Messung, stattdessen werden die noch im Vakuum verbliebenen Restgasmoleküle gemessen. Selbst mit den besten (Ab-)
Pumptechniken kann, unabhängig von der Temperatur, nur ein unvollständiges Vakuum erreicht werden. Die Qualität eines Vakuums
wird sowohl vom herrschenden Druck als auch der Zusammensetzung der Restgase bestimmt. Der Druck wird in Pascal (Pa) oder
im industriellen Sektor häufig auch in mbar oder Torr (Millimeter-Quecksilbersäule, mmHg) angegeben.
1 bar = 105 Pa (oder 1 mbar = 1 hPa) ; 1 torr = 1mm Hg = 133,3 Pa.
Am SOLEIL ermöglichen verschiedene Vakuumsysteme Druckwerte von 10-8 hPa in Linac
und Booster, 10-10 hPa im Speicherring sofern kein Elektronenstrahl vorhanden ist und ca.
10-9 hPa, wenn die Elektronen zirkulieren.
4.1 Restgase und die Lebensdauer der Elektronen
Bei der Wechselwirkung der
Elektronen mit den Restgasmolekülen
werden zwei Arten unterschieden.
Wechselwirkung
durch elastische
StöSSe:
Die Lebensdauer der Elektronenstrahls entspricht dem Zeitraum, in dem die Intensität des
Elektronenstrahls durch e = 2,7 (Eulersche Zahl) geteilt wird. Sie ist ein wichtiger Faktor für die
Qualität einer Synchrotronstrahlungsquelle. Diese Lebensdauer hängt von mehreren Faktoren ab:
•Die Beschaffenheit des Synchrotrons (Art und Anzahl der Undulatoren, Spannung der
Radiofrequenz-Hohlraumresonatoren, etc.)
•Die Konfiguarion der im Speicherring kreisenden Elektronenpakete (in SOLEIL 416 oder
8 Elektronenpakete)
•Die Energie der Elektronen (in SOLEIL 2,75 GeV)
•Die atomare Masse der Restgase und ihr Druck
Bei einem gegebenen Synchrotron sinkt die Lebensdauer der Elektronen, wenn die atomare
Masse der Restgase sowie ihr Druck ansteigen; der Elektronenstrahl interagiert mit den im
Vakuum verbleibenden Molekülen und es gehen Elektronen verloren. Es ist also wichtig, die
Zusammensetzung der Restgase kontrollieren und ihren Druck bis zum Ultrahochvakuum
absenken zu können.
• Die chemische Zusammensetzung der Restgase
Um das Ultrahochvakuum zu erreichen werden die Vakuumkammern des Synchrotronsystems
schon während ihrer Fabrikation entsprechend präpariert, dies geschieht, damit später im
Ultrahochvakuum keine Spuren organischer oder anderer kontaminierender Moleküle auftreten
(siehe nächste Seite). Nach dieser speziellen Präparation
bestehen die Restgase im Vakuum zu 80% aus Wasserstoff.
Dieser entsteht durch die Reduktion des restlichen Wassers im
Material, aus dem die Wände der Vakuumkammern bestehen
(rostfreier Stahl). Der Rest der noch vorhandenen Gase setzt
sich aus Kohlenmonoxid (10%), Kohlendioxid und Methan
Edelgase
zusammen.
Im Speicherring von SOLEIL haben die Elektronenpakete eine
Lebensdauer von etwa 18 Stunden.
23
Ein Elektron kann durch das
Zusammentreffen mit einem Molekül
von seiner Bahn abgelenkt werden.
Das Elektron stößt daraufhin gegen
die Innenwand des Speicherrings
und geht verloren. Die Umlenkung
des Elektrons erfolgt aufgrund der
elektrostatischen Wechselwirkungen
mit den Protonen oder Elektronen des
Moleküls (Coulombsches Gesetz).
Wechselwirkung
durch unelastische
StöSSe:
Nach dem Stoß durch ein
Zusammentreffen mit einem Proton
oder Elektron eines Moleküls
kann ein Elektron zu viel Energie
verlieren, um wieder von einem
Hohlraumresonator
des
Rings
beschleunigt zu werden. Es kann
also die Kurve eines Dipols, dessen
Magnetfeld für ein Elektron mit einer
Energie von 2,75 GeV berechnet
wurde, nicht mehr nehmen. Auch
dieses Elektron verliert sich beim
Aufprall auf die Wände des Rings.
Das Ultrahochvakuum
4.2 Das Pumpensystem
Eine einziger Typ von Pumpe reicht nicht aus, von atmosphärischem Druck das Ultrahochvakuum (10-10 hPa) zu erreichen.
Dies passiert in mehreren Schritten und mit der Kombination mehrerer Pumpentypen. Die Evakuationspumpen pumpen die
noch im Volumen des Rezipienten verbliebenen Gasmoleküle ab (Abpumpen des Volumens). Die Sorptionspumpen fixieren
die von den Oberflächen der Vakuumkammern abgegebenen Moleküle an den Wänden (Abpumpen an der Oberfläche).
Wenn kontinuierlich Gas aus einem Behälter abgepumpt wird, sollte man meinen, der
Druck sinke bis zum Wert Null ab. Es wurde allerdings festgestellt, dass dies nie der Fall
ist. Nach einem schnellen Absinken, verändert sich der Druck nur noch langsam und neue
„unerwünschte“ Moleküle kommen hinzu. Sie stammen aus den Mikroporen der Innenwand
der Vakuumkammern, aus kleinen mechanischen Kanälen (wie Schrauben und Muttern)
sowie der Desorption, bei der sie sich von der Oberfläche der Innenwände lösen.
Druck in hPa
ell
Schn
Langsam
• Die Wälzkolben- und die Turbomolekularpumpe sind
Evakuationspumpen. Die Wälzkolbenpumpe verwendet zwei
Rotorprofile in Form einer Acht. Bei der Rotation werden die
Zeit
Gasmoleküle zwischen den sich drehenden Rotoroberflächen
isoliert und dann in Richtung des Ausgangs der Pumpe befördert. Die Turbomolekularpumpe (Abbildung
rechts) bringt die Restluftmoleküle in Bewegung, sodass sie in den Abpumpbereich gestossen werden.
Sie ist mit einer Turbine ausgestattet, die aus hunderten von Rotorblättern besteht, und sich mit hoher
Umdrehungsgeschwindigkeit (20 000 bis über 70 000 U/min) dreht. Die Rotorblätter schleudern die
Gasmoleküle in die gewünschte Richtung. Sie werden in die unteren Bereiche befördert und dort von
anderen Pumpen abgepumpt.
•Die Ionengetterpumpe fixiert die Gasmoleküle
durch chemische Adsorption (Chemisorption) an den
Wänden. Gewöhnlich besteht sie aus einer mehrzelligen
Anode, die sich aus einer Reihe kleiner, hohler Zylinder
aus Edelstahl zusammensetzt, umgeben von zwei
Titanplatten, die die Kathode darstellen.
Die Ionengetterpumpe
Ein Spannung von mehreren Kilovolt erzeugt eine
elektrische Entladung von Elektronen zwischen
Kathode und Anode. Die Elektronenlaufbahn
wird durch das Magnetfeld des Magneten
(gelb auf der nebenstehenden Abbildung)
verlängert. Beim Durchqueren dieses Feldes
treffen die Elektronen auf Gasmoleküle und
ionisieren sie. Die so erzeugten positiven Ionen
werden von der Kathode aus Titan angezogen
und setzen sich an ihr fest (sie sind nun
w Die Adsorption (nicht zu verwechseln mit der
Absorption) ist ein Prozess, bei dem sich Gasmoleküle
an die Oberfläche von Feststoffen binden. Bei der
physikalischen Adsorption (Physisorption) wirken
schwache Bindungen, die Van-der-Waals-Kräfte. Bei
der chemischen Adsorption (Chemisorption) werden
chemische Bindungen eingesetzt, die stärker als die
Van-der-Waals-Kräfte sind.
unter der Titanoberfläche „vergraben“).
Beim Einschlagen der Ionen wird auch
jeweils Titan freigesetzt und pulverisiert,
schlieβlich lagert es sich anderswo an
den Innenwänden der Pumpe an. Das
Titan bindet weitere Gasmoleküle an sich
und vergrößert so die Wirkungsgrad der
Pumpe.
•Titan-Sublimationspumpe (Beispiel für eine Getterpumpe) fixiert die Gasmoleküle ebenfalls
durch Chemisorption an den Wänden. Sie besteht aus einem hohlen, in seinem Inneren mit einem
Titan-Glühdraht versehenen, Zylinder. Der Glühdraht wird erhitzt, dabei sublimiert das Titan und
setzt sich als Schicht an den Innenwänden des Zylinders fest. Die Gasmoleküle, die abgepumpt
werden sollen, reagieren mit dem Titan und formen feste chemische Verbindungen wie Nitride,
Hydride und Oxide. Die Chemische Sorption lässt sich nur bei Molekülen, die chemisch mit Titan
reagieren, anwenden. Seltene Gase wie zum Beispiel Helium werden von Titan schlecht adsorbiert.
w Als Sublimation (von lat.: sublimis = hoch in der Luft befindlich, erhaben) bezeichnet man den
Übergang eines Stoffes (hier Titan) vom festen in den gasförmigen Zustand, ohne sich vorher zu
verflüssigen. Diese Transformation läuft ohne das Schmelzen oder Verdampfen des Feststoffes ab.
24
Titan-Glühdraht
•Die Ionengetterpumpe und die Sublimationspumpe
sind Sorptionspumpen.
Das Ultrahochvakuum
4.3 Ein noch besseres Vakuum
Ein Ultrahochvakuum erfordert sehr saubere Innenwände der Vakuumkammern, um Ausgasen zu verhindern. Daher werden
die Vakuumkammern von SOLEIL mit zwei speziellen Verfahren behandelt. Es handelt sich dabei um das Ausheizen und die
NEG-Beschichtung.
• Das Ausheizen
Das Ausheizen wird durchgeführt, während die Behälter mithilfe der Drehkolben- und Turbomolekularpumpen abgepumpt werden.
Wenn der Druck bei 10-6 hPa liegt, wird mit dem Ausheizen der Vakuumkammern begonnen. Um den Wasserdampf und eventuelle
Spuren anderer störender, von den Oberflächen adsorbierter, Stoffe aus den Behältern zu treiben, werden diese erhitzt. Ihre Temperatur
steigt (jede Stunde um 30°C) auf ca. 180°C (in den Dipolen 120°C) an. Nach drei oder vier Tagen (maximal einer Woche) ist ein
Druck von 10-7 hPa erreicht. Das Ausheizen und die Drehkolben- und Turbomolekularpumpen werden gleichzeitig gestoppt. Von hier an
übernehmen die Sorptionspumpen.
• Die NEG-Beschichtung (nichtverdampfbare, absorbierende Beschichtung für Oberflächen)
Synchrotrone besitzen eine spezielle Eigenschaft: Wenn sie in Betrieb sind, werden die Innenwände der Vakuumkammern mit Photonen
der Synchrotronstrahlung „beschossen“. Dabei werden unter anderem CO- und CO2-Moleküle abgestoßen und der Druck steigt an.
Um dies einzuschränken, wird auf die Innenwände der geradlinigen Vakuumkammern eine dünne Beschichtung aus NEG-Material
aufgetragen. Das NEG-Material (von engl.: Non Evaporable Getter) ist eine Legierung aus Zirkonium, Vanadium und Titan, aufgedampft
durch Kathodenzerstäubung. Dieses Material hat die Eigenschaft bei Erhitzung auf hohe Temperaturen (>150°C), die Gase auf seiner
Oberfläche zu zersetzten und die Atome in das Innere der Schicht zu verteilen. So erhält man eine nahezu metallische Oberfläche, die
wie eine Sorptionspumpe wirkt. Mit ihrer Hilfe werden die restlichen Gasmoleküle abgepumpt und es kann, vor allem in den Bereichen,
in denen ein klassisches Abpumpen schwierig wird (zum Beispiel zwischen den Undulatoren), ein sehr gutes Vakuum erzeugt werden.
Im Elektronenspeicherring von SOLEIL besitzen 122 Vakuumkammern eine NEG-Beschichtung mit einer Dicke von 0,5 bis 1,5 µm, bei
einer Gesamtlänge von 200 m sind 56% des Rings mit der Spezialbeschichtung ausgestattet.
Ein Abschnitt des Elektronenspeicherrings von SOLEIL.
In Gelb: die Vakuumkammern aus Aluminium mit der NEG-Beschichtung. SOLEIL ist das erste Synchrotron,
bei dem 56% des Elektronenspeicherrings mit der NEG-Beschichtung ausgekleidet sind.
4.4 Vom Vakuum im Speicherring zu den Experimenten
Die in SOLEIL von den Dipolen und Undulatoren erzeugte Synchrotronstrahlung wird in Beamlines weitergeleitet, wo die Experimente
stattfinden. Manche von ihnen finden im Vakuum statt, andere hingegen können bei unterschiedlichen Drücken oder sogar an der
freien Luft durchgeführt werden. In den beiden letztgenannten Fällen müssen Materialien verwendet werden, die das Durchlassen der
gewünschten Strahlung ermöglichen, aber das Ultrahochvakuum des Speicherrings von der Atmosphäre, unter der die Experimente
durchgeführt werden, trennt.
So hat man an der Beamline „PROXIMA 1“, an der biologisches Material mit Röntgendiffraktion unter Luftdruckbedingungen untersucht
wird, direkt vor dem Versuchsgegenstand ein Kaptonfenster, das aus organischem Polymer besteht, angebracht. Die Beamlines „ODE“,
„SAMBA“, „MARS“ und „DIFFABS“ verwenden Beryllium, ein für Röntgenstrahlen durchlässiges, aber für andere Strahlen undurchdringliches
Metall.
Die Beamlines „SMIS“ und „AILES“, die mit Infrarotstrahlung arbeiten, verwenden Diamantfenster, die hochenergetische Strahlung wie
etwa Röntgenstrahlung eliminieren und nur für sichtbare und Infrarotstrahlung durchlässig sind. Alle anderen Beamlines verwenden keine
Fenster. „TEMPO“ und „CASSIOPEE“ zum Beispiel führen ihre Experimente in einem Vakuum, ähnlich dem des Rings, durch. Die Proben
werden in Kammern eingesetzt, in denen Vakuum hergestellt wird, bevor sie an den Rest der Beamline angeschlossen werden. Andere
Beamlines wie „DESIRS“ verwenden ein Pumpsystem, mithilfe dessen ein Druckgradient (progressives Absinken des Drucks entlang der
Beamline), bis hin zum gewünschten Wert erreicht werden kann.
25
Untersuchungsmethoden für die Proben
5. Licht trifft auf Materie - die Untersuchungsmethoden
Am Ende der Beamlines sind die Proben als „Zielscheiben“ für das einfallende Licht aufgebaut. Die Untersuchung der Proben
basiert auf den klassischen Untersuchungsmethoden für die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie: Absorption,
Fluoreszenz und elastische Streuung (besonders Röntgendiffraktion). Die Untersuchungsmethoden ermöglichen es, die
Struktur der Versuchsmaterialien zu bestimmen, ihre elementare Zusammensetzung zu bestimmen, sie im Raum zu
lokalisieren und sogar chemische Informationen über das Material zu erhalten (Oxidationswert, Koordinationszahl, etc.).
Untersucht wird ebenfalls mit Mikroskopie.
An jeder Beamline können eine oder mehrere Untersuchungsmethoden für die unterschiedlichsten Forschungsbereiche bereitgestellt
werden, zum Beispiel Chemie, Physik, Materialwissenschaft, Biologie, Medizin, Umweltforschung, Astrophysik oder die Erforschung
unseres Kulturerbes.
Röntgenabsorption
SAMBA
ODE
DIFFABS
MARS
LUCIA
GALAXIES
NANOSCOPIUM
ROCK
Röntgenspektroskopie
(weiche
Röntgenstrahlen)
TEMPO
CASSIOPEE
PLEIADES
ANTARES
DEIMOS
SEXTANTS
UV/VUVSpektroskopie
DESIRS
DISCO
PLEIADES
IR-
Mikroskopie
Fluorescence UV et X
Spektroskopie
AILES
SMIS
LUCIA
DIFFABS
NANOSCOPIUM
HERMES
SMIS
DISCO
PUMA
SEXTANTS
ANTARES
DIFFABS
DISCO
LUCIA
MARS
NANOSCOPIUM
PUMA
SIRIUS
Diffraktion
(Beugung)
CRISTAL
DIFFABS
MARS
SIXS
SIRIUS
PSICHE
PROXIMA 1
PROXIMA 2
SEXTANTS
METROLOGIE
Inelastische
Streuung
LUCIA
SEXTANTS
GALAXIES
Streuung mit kleinen
Streuwinkeln
Photo-emission
SWING
GALAXIES
MARS
METROLOGIE
SIXS
SIRIUS
SEXTANTS
ANTARES
CASSIOPEE
GALAXIES
HERMES
PLEIADES
TEMPO
Tomografie
PSICHE
ANATOMIX
PUMA
Die Beamlines und ihre Untersuchungsmethoden.
5.1 Absorptionsspektroskopie
Trifft der Lichtstrahl auf eine Probe, wird ein Teil des Lichtes reflektiert, ein weiterer wird absorbiert und der Rest der Strahlung transmittiert.
Die Absorption des Lichtes hängt von seiner Energie ab; auf atomarer oder molekularer Ebene können mehrere Mechanismen ablaufen.
Sichtbare Strahlung und Ultraviolettstrahlung regen die Elektronen
der Atome an. Die Energie der harten UV-Strahlen und der
Röntgenstrahlen reicht aus, um die Atome zu ionisieren (bei
der Ionisation wird ein Elektron von seinem Atom abgerissen,
man spricht nun von einem „Photoelektron“, das untersucht
werden kann). Die Infrarotstrahlung erzeugt Schwingungen
und Rotationen der miteinander verbundenen Moleküle (die
Rotationen existieren nur im Fall von Verbindungen im gasförmigen
Zustand). Eine Absorption findet nur dann statt, wenn die Energie
des einfallenden Photons mit der Anregungsenergie des Atoms
oder Moleküls zusammenfällt. Jedes Molekül besitzt seine eigenen
Energieniveaus, zum Beispiel beträgt die Ionisationsenergie eines
Wasserstoffatoms 13,6 eV.
Spektrum
Einfallendes Photon
Die verschiedenen Absorptionsmechanismen als
Funktion der Energie des einfallenden Photons.
Phänomene
w Energieniveaus im Atom
Um die von den Atomen ausgestrahlten Lichtspektren zu erklären, stellte der Däne Niels Bohr 1913 ein Atommodell vor, nach dem die
Elektronen den Atomkern auf geschlossenen Bahnen umkreisen. Jeder Elektronenbahn wird ein bestimmtes Energieniveau zugeordnet.
Beim Quantensprung, dem Sprung von einer Elektronenbahn zu einer anderen, weiter entfernten, absorbiert das Elektron Licht - springt
es wieder zurück, wird Licht emittiert. Das niedrigste Energieniveau in einem Atom wird mit dem Buchstaben „K“ bezeichnet, das
darüber mit „L“, das nächste „M“ usw.
Dieses Modell wurde in den darauffolgenden Jahren weiterentwickelt. Heute gehen wir davon aus, dass die Elektronen in einem
Molekül oder Atom immer ein bestimmtes Energieniveau besetzen, sich aber nicht auf festen Umlaufbahnen bewegen. Das Elektron
ist nicht mehr genau lokalisiert, aber man kann einen Bereich im Raum um den Atomkern herum festlegen, in dem sich dieses Elektron
mit hoher Wahrscheinlichkeit (99%) befindet – man bezeichnet diesen Bereich als das atomare „Orbital“.
26
Untersuchungsmethoden für die Proben
Wie die Atome besitzen auch die Moleküle Energieniveaus. Die Atome, aus denen ein Molekül
besteht, können um ihre Ausgangsposition herum schwingen, gleichermaβen können sich die
Moleküle als Ganzes um sich selbst drehen. Zu den Energieniveaus der Elektronen kommen nun
also die vibratorischen- und (für Moleküle oder Atome) die rotatorischen Energieniveaus hinzu.
Énergie
Die Absorption oder Emission von Photonen richtet sich, was die Photonen des sichtbaren und UVLichtes betrifft, nach dem Übergang zwischen den verschiedenen Energieniveaus der Elektronen. Im
Infrarotbereich richtet sie sich nach den Übergängen zwischen den Schwingungsenergieniveaus und
im Terahertz- und Ferninfrarotbereich nach den Übergängen zwischen den Rotationsenergieniveaus.
E e2
E v3
}
Ee : Energieniveau der Elektronen
Ev : Vibratorische Energie
E R : Rotationelle Energie
O
H
Asymmetrische
Streckschwingung
3756 cm-1
H
Symmetrische
Streckschwingung
3752 cm-1
O
H
H
O
E v2
ER
E v1
E e1
Biegeschwingung
1595 cm-1
H
H
Beispiel der Schwingungen eines Wassermoleküls
• Infrarot-Absorptionsspektroskopie: Alles über die molekularen Bindungen
Innerhalb der Moleküle schwingen die Bindungen zwischen den Atomen mit einer Frequenz, die von den Atomen, ihrer Umgebung
(andere Atome, die sich in der Nähe befinden) und der Stärke und Ordnung der Mehrfachbindungen (einfach, doppelt, oder dreifach)
abhängt. Für bestimmte Frequenzen des einfallenden Lichtes, besteht eine Resonanz der Eigenfrequenz mit der Molekülschwingung:
die Energie wird nun also an die Materie transferiert und man
sichtbarer Bereich
kann ein Absinken der Intensität des weitergeleiteten Lichtes
Infrarotstrahlung
UV-Strahlung
beobachten. Viele Bindungen besitzen eine Resonanzfrequenz
im Infrarotbereich zwischen 2 und 100 µm.
Wenn man auf einem Graphen die Abhängigkeit der Transmission
von der Wellenlänge(*) darstellt, kann man Absorptionsmaxima
mit der Frequenz der charakteristischen Resonanzen der
Atombindungen erkennen.
Die Schwingung einer Atombindung lässt sich mit der Bewegung einer
Stahlfeder vergleichen, die zwei Kugeln miteinander verbindet
Die Infrarotspektroskopie ist eine effiziente Technik, um
Funktionsgruppen wie C=O, C-O, O-H, C-N, N-H, etc. (in
verschiedenen Umgebungen) zu erkennen, aber auch um deren
Konzentration zu bestimmen. Infrarotspektroskopie ist nicht
destruktiv und ihre Sensibilität erlaubt es, winzig kleine Mengen
Wellenlänge in µm
an Materie (zurzeit pg = 10-12 g) untersuchen zu können.
(*)
(Der Begriff der Wellenzahl in der Infrarotspektroskopie kommt aus der Chemie,
er erleichtert das Auswerten von Spektren. Der Begriff wurde zum ersten Mal
während des zweiten Weltkriegs von englischen Chemikern für die Analyse der
von Deutschen verwendeten Gase benutzt.
Wellenzahl = 1/λ (die geläufige Einheit ist cm-1). Wellenzahl ist eine zur Energie
proportionale Größe.)
Wellenzahl in cm-1
Im Spektrum von Ethanol (C2H5OH) im Infrarotbereich lassen sich folgende
Bindungen beobachten: C-O bei etwa 1000 cm-1 und O-H bei etwa 3000 cm-1
27
Untersuchungsmethoden für die Proben
• Röntgenabsorptionsspektroskopie: Atome, ihre Struktur und ihr nahe Umgebung
Im Röntgenbereich kann ein Teil des einfallenden Lichtstrahls die Probe durchdringen, ohne dabei eine Veränderung zu erfahren, der
Rest wird entweder absorbiert (EXAFS-, XANES-Spektroskopie) oder mit diversen Phänomenen, wie der Fluoreszenz, wieder abgegeben.
Die Beamline „SAMBA“ arbeitet in Absorption. Die Detektoren messen die Photonenintensität vor (I0) und nach (I) dem Durchdringen der Probe.
Die Absorption eines Röntgenphotons erzeugt eine Ionisation des Atoms, und somit eine Lücke in der Elektronenschale.
EXAFS
Absorbanz
XANES
Zum Beispiel wird eine Lücke in der Elektronenschale K, der dem
Atomkern nächsten Schale, mit einem Elektron der unmittelbar nächsten
Schale (L-Schale) gefüllt. Dabei wird eine Strahlung freigesetzt, die für
das ionisierte Atoms charakteristisch ist. Die K-Linien werden genutzt
um die sogenannten „leichten“ Elemente (Wasserstoff, Helium, Lithium,
usw. bis zu Aluminium) zu identifizieren und zu quantifizieren. Gleiche
Verwendung finden die L- Linien in Hinblick auf „schwere“ Elemente,
wohingegen die M-Linien schwer zu handhaben sind und daher selten
verwendet werden.
Kante
Vorpeak
5900
6100
6300
6500
6700 (eV)
Röntgenabsorptionsspektrum: Beispiel der K-Absorptionskante
von Chrom.
Absorbanz = ln (I0/I) mit der einfallenden Intensität I0 und der
weitergeleiteten Intensität I.
Das Absorptionsspektrum der Röntgenstrahlen weist eine „Ionisationsgrenze“
auf, diese Energie(schwelle) hängt in erster Linie von der Kernladungszahl
Z des absorbierenden Atoms ab. Die Röntgenabsorptionsspektroskopie ist
also sehr selektiv, da sie eine Bestimmung der Kernladungszahl Z der zu
untersuchenden Materie liefert.
In der Nähe des Grenzwertes weist das Absorptionsspektrum der
Röntgenstrahlen drei charakteristische Bereiche auf, diese werden hier für
das Spektrum von Chrom (siehe Abbildung unten) erläutert:
•Der Vorpeak entspricht dem Bereich des Spektrums, in dem die Energie der einfallenden Röntgenstrahlen nicht ausreicht, um ein
Elektron von der K-Schale eines Chromatoms zu lösen. Dieser Bereich gibt Aufschluss über die Elektronenstruktur des Elements und die
Struktur des näheren Umfeldes. Zum Beispiel weist Chrom III von oktaedrischer Struktur keinen Vorpeak auf, ganz im Gegensatz zu
Chrom IV von tetragonaler Struktur.
•Der XANES-Bereich (Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie) stellt einen Bereich dar, der bis etwa 50 eV über den Grenzwert
reicht, und in dem die Schwankungen des Spektrums durch die orbitalen Übergänge des absorbierenden Atomsausgelöst werden.
Er gibt Auskunft über das nähere und mittlere Umgebung des Atoms (bis zu 0,8 nm) und über die Elektronenkonfiguration des
Elements, die von den benachbarten Atomen abhängt.
•Der EXAFS-Bereich (von engl.: „Extended X-ray Absorption Fine Structure“) stellt einen Bereich, einige hundert eV über dem
Grenzwert, dar, in dem die Kurve geringe, gedämpfte Schwingungen aufweist, die sich überlagern. Diese Oszillationen treten aufgrund
von Interferenzeffekten auf; die Lichtwelle, die den, vom absorbierenden Atom abgestoßenen Elektronen zugeordnet wird, wird von
den benachbarten Atomen (wie ein Echo) „rückgestreut“ und interferiert mit der einfallenden Lichtwelle.Der EXAFS-Bereich liefert
Informationen über die Natur benachbarter Atome, den räumlichen Abstand zwischen den Atomen [bis zu 0,01 nm (!)], die chemische
Zusammensetzung, die Koordination, sowie den Grad der strukturellen Unordnung des Materials.
All diese Informationen sind, wenn es sich nicht um einen Kristall handelt, mit anderen Untersuchungstechniken nur schwer zu erhalten.
Die oben genannten Techniken lassen sich bei allen Materialien anwenden, egal ob kristallin oder amorph, ob fest, flüssig oder gasförmig.
Verbunden mit der linearen oder zirkularen Polarisation der Synchrotronstrahlung, ermöglichen sie zudem die Untersuchung der
magnetischen Eigenschaften der Proben.
28
Untersuchungsmethoden für die Proben
5.2 Fluoreszenzspektroskopie (Detektion von Spurenelementen)
5.3 Bildgebende Optik
Sie kann auf verschiedenen spektroskopischen Techniken aufbauen, so zum Beispiel
Absorption (Infrarot-, UV-, Röntgenstrahlung) oder Fluoreszenz. Es geht also darum, die
Probe Schritt für Schritt zu untersuchen und mithilfe der obengenannten Techniken
Vorkommen und Menge einer chemischen Spezies (Molekül, Atom, Ion) oder auch die
Existenz einer chemischen Bindung nachzuweisen und davon eine Karte zu erstellen.
Energie
Energie
Die Fluoreszenz eines Moleküls (Fluorophor oder Fluorochrom)
ist seine Eigenschaft auftreffende Lichtenergie (Anregungslicht)
Absorption
UV-Fluoreszenz
zu absorbieren und sie im Allgemeinen sehr schnell (weniger
als eine Nanosekunde später) ebenfalls in Lichtform wieder
abgeben zu können (Emissionslicht). Das Anregungslicht muss
dazu ausreichend energetisch sein. Dieses Phänomen ist zwar
auch im sichtbaren Bereich zu beobachten, wird aber vor
allem (wie in SOLEIL) bei Arbeiten im UV- und Röntgenbereich
verwendet. Die wieder abgegebenen Photonen sind immer
von geringerer Energie (das heißt, sie haben eine größere
Wellenlänge) als die auftreffenden Photonen. Die Lichtabgabe
hängt von der Neuordnung der Elektronen der Atome oder den chemischen Bindungen ab. Die Wellenlänge der wieder abgegebenen
Lichtwellen ist charakteristisch für die untersuchten Atome oder chemischen Bindungen.
Abbildung: Lipidverteilung
in einem menschlichen
Haar (Querschnitt).
Man kann erkennen, dass
sich die Lipide an der
Oberfläche des Haares
befinden.
5.4 Die Photoemission
Diese Technik basiert auf dem Photoelektrischen Effekt. Ein einfallender Lichtstrahl (UV- oder Röntgenstrahlung) „ionisiert“ die Atome des
Versuchsgegenstandes; Photonen lösen die Elektronen von den Atomen, diese Elektronen werden nun als Photoelektronen bezeichnet.
Ein Spektrometer misst nun die Zahl der abgegebenen Elektronen als Funktion auf ihre kinetische Energie (diese entspricht der Energie der
auftreffenden Photonen minus der Bindungsenergie der abgegebenen Elektronen). Die so erhaltenen Spektren enthalten Signaturen jeder
auf der Probe enthaltenen chemischen Spezies. So kann man die in der Probe vorkommenden Atome identifizieren und eine chemische
Analyse durchführen.
5.5 Elastische Streuung und Diffraktion - Die räumliche Struktur von Molekülen und Kristallen
Nach der Interaktion mit der Materie werden einige Röntgenphotonen ohne Energieveränderung
in verschiedene Richtungen im Raum gestreut. Die Richtungen hängen von der atomaren
Struktur des Materials und seiner Position im Hinblick auf den einfallenden Lichtstrahl ab.
Dieses Phänomen wird als sogenannte „elastische Wechselwirkung“ zwischen den Elektronen
des Materials und den Röntgenphotonen beschrieben. Bei nicht geordnetem Material
(flüssig, fest oder amorph) spricht man von einer „Streuung“, dabei lassen sich mehr oder
weniger strukturierte Ringe beobachten, deren Durchmesser auf die Größe der atomaren
Strukturen hinweisen. Wenn das Material auf atomarer Skala geordnet (kristalline Ordnung),
treten in manchen Richtungen konstruktive Interferenzen zwischen den von den kristallinen
Anordnungen gebeugten Lichtstrahlen auf. Man kann nun Flecken auf dem Detektor erkennen,
dieses Phänomen bezeichnet man in diesem Fall als „Diffraktion“ (Beugung).
Die
Informationen
werden
durch
Untersuchung der relativen Intensität der
Flecken, der Symmetrie der von den Flecken
gebildeten Form, und der Abstände zwischen
ihnen gewonnen. Dies ist eine besonders
effiziente Untersuchungsmethode für die
Struktur von geordneter Materie.
Beugungsmuster eines Proteins
Das Foto 51
1951 entwickelt die englische Biologin
Rosalind Franklin verbesserte Techniken
zur Streuung von Röntgenstrahlen auf
biologischem Material. Ihre legendären
Röntgenaufnahmen beweisen eindeutig
die Existenz der Doppelhelix-Struktur der
DNA. Dennoch blieb Rosalind Franklins
Beitrag zu jener fundamentalen
Entdeckung, für die Wilkins, Watson und
Crick 1962 den Nobelpreis erhielten,
lange Zeit vergessen.
Es existieren auch Untersuchungsmethoden, die sich auf das Prinzip der Compton-Streuung stützen (unelastisch oder inkohärent; das
heißt mit einer sehr geringen Energieveränderung), sie werden hauptsächlich für die leichten Elemente verwendet.
29
Anwendungsbereiche
6. Die zahlreichen Anwendungsbereiche der Synchrotronstrahlung
Bei so vielen Anwendungsgebieten haben wir quasi „die Qual der Wahl“…! Auf den folgenden Seiten wollen wir Ihnen neun
von ihnen vorstellen und so die Bandbreite an Forschungsgebieten und den angewandten Untersuchungsmethoden zeigen.
6.1 Leberzirrhose und Leberkrebs – Infrarotabsorptionsmikroskopie (Beamline „SMIS“)
Bestrahlt man eine Probe aus biologischem Material mit Infrarotstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen, so reagiert jede der
molekularen Verbindungen, aus denen das Gewebe besteht (Proteine, Lipide, …), auf eine der auftreffenden Wellenlängen mit
Absorption. Die Aufzeichnung der Intensitätsverluste der unterschiedlichen Wellenlängen ergibt ein Spektrum. Es besteht aus einer
Reihe von Maxima (engl. peaks; Anm.d.Übers.), die den Molekülschwingungen entsprechen und die verschiedenen Komponenten
des untersuchten Materials zeigen.
Bildausschnitt einer Lebergewebe-Probe - © Inserm / F. Le Naour und Kollegen
Links: Bild eines optischen Mikroskops, das eine Fettleber zeigt. Die Fettleber-Erkrankung, die sich zu einer Zirrhose und manchmal
auch zu Leberkrebs entwickeln kann, zeichnet sich durch die Bildung von Vesikeln (mit Fett gefüllte Zellen; auf dem Bild mit Pfeilen
gekennzeichnet) in der Leber aus. Rechts: Das mit Infrarotspektroskopie erzeugte Bild wird dem Bild des optischen Mikroskops
überlagert. Die Farbskala entspricht der anwachsenden Konzentration ungesättigter Kohlenstoff-Dippelbindungen, Hinweis auf
ungesättigte Lipide (Fette). Durch die Visualisierung der Verteilung der Lipide in den Fettleber-Vesikeln kann man erkennen, dass
während des Ausbildens der Fettleber-Erkrankung starke Unterschiede in der lokalen Zusammensetzung der Vesikeln auftreten.
Wenn man die Ergebnisse aus Mikroskopie und Spektroskopie miteinander kombiniert, kann man die Komponenten der Oberfläche
der untersuchten Probe bestimmen und lokalisieren. Man fertigt eine Kartografie des Gewebes an. Die Verwendung eines sehr
intensiven, wenige Mikrometer breiten Synchrotronstrahls verbessert die Auflösung wesentlich. (Ref. 2).
6.2 Infektion von Zellen durch pathogene Stoffe – Röntgendiffraktion (Beamline „PROXIMA1“)
Das Agrobacterium Tumefaciens (lat.: für „Tumor machendes Ackerbakterium“) ist ein
Bodenbakterium, welches von Natur aus die Fähigkeit besitzt, Teile seines Erbmaterials
auf Pflanzenzellen zu übertragen. Der farbige Kranz (siehe Abbildung) ist ein Bild
einer Ansammlung von Proteinen, die einen Kanal bilden - seine Öffnung ist in dieser
Abbildung gut erkennbar. Durch diesen Proteinkanal kann das A. Tumefaciens der
Zielzelle einen Teil seiner DNA oder seiner Proteine übertragen und sie so infizieren.
Dadurch werden häufig krebsartige Wucherungen im Wurzelhalsbereich der Pflanze
hervorgerufen (Wurzelhalsgalle). Das Bakterium wurde 1907 bei der Untersuchung
von Pflanzengallen identifiziert.
Von Proteinen gebildeter Kanal
© G. Waksman und Kollegen, U.C. London
Der „Kranz“ in der Abbildung besteht aus 14 identischen Einheiten; eine Einheit
besteht aus 3 Proteinen, von denen wiederum jedes aus tausenden von Atomen
besteht (siehe Bild: Jedes Protein ist mit einer anderen Farbe gekennzeichnet). Der
Gesamtumfang beträgt etwa 15 nm.
Um dieses Bild zu erhalten, arbeiteten die Wissenschaftler mit Kristallen, da diese aus Millionen solcher Einheiten bestehen. Der
Kristall wird von den Röntgenstrahlen durchstrahlt, die an den Elektronenhüllen der konstituierenden Atome gebrochen werden.
Mit der Gesamtheit aller vom Detektor aufgezeichneten Bilder der Streuungsflecken können die Forscher nun die Position der
einzelnen Atome im Molekül bestimmen. Es werden noch weitere Methoden angewandt, die dabei helfen, die untersuchte
Struktur zu identifizieren, so zum Beispiel die Analyse der Kristalle des Moleküls, in dem sich auch Selenatome befinden (Ref. 3).
30
Anwendungsbereiche
6.3 Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Lithiumbatterien – Röntgenabsorptionsspektroskopie
Eine Lithiumbatterie besitzt als Speichereinheiten eine negative und eine positive Elektrode, die über einen Elektrolyten miteinander
verbunden sind. Die am negativen Pol gebildeten Li+-Ionen treten durch den Elektrolyten zur anderen Elektrode über. Im Ausgleich dazu
fließen außen ebenso viele Elektronen durch den elektrischen Verbraucher, es bildet sich ein Stromkreis. Bei der Aufladung der Batterie
erzeugt ein Generator einen entgegengesetzten Stromfluss, indem er die Li+-Ionen in die andere Richtung leitet. Die Ausgangsbedingungen
sind nun wiederhergestellt.
Folglich müssen die Elektroden häufig abwechselnd Ionen und Elektronen aus beiden Richtungen aufnehmen, ohne dass ihre Kapazität
dadurch vermindert wird. Um die Leistungsfähigkeit der Batterie, was das Laden und Entladen angeht, zu prüfen, muss man die Veränderung
des Materials und seine chemischen Eigenschaften mit einer deutlich schnelleren Methode beobachten, als das zu analysierende
Phänomen vor sich geht. Eine solche Methode steht an der Beamline „LUCIA“ zur Verfügung (Ref. 4).
Während des Ladevorgangs werden Li+-Ionen von der Elektrode weggeleitet
und Fe2+-Ionen oxidieren zu Fe3+-Ionen. Da sich der Absorptionsgrenzwert
von Eisen durch diesen Vorgang stark verändert, wird seine Oxidation mit
Röntgenabsorptionsspektroskopie beobachtbar und so untersucht. Von
einem gegebenen Energiewert ausgehend, kann man die Variation der
Intensität der Absorption beobachten, die direkt von der Anzahl der Fe3+Ionen und somit der Oxidationsreaktion abhängt.
Jede der horizontalen Linien der Kartografie entspricht einem Ladezustand
der Batterie, dieser kann sich zwischen LiFePO4 [Lithium-Eisenphosphat
(oberste Linie)] und FePO4 [Eisenphosphat (unterste Linie)] bewegen. Jede
Spalte entspricht einem 7x7 µm großen Punkt der Elektrode – die Linien
sind in einem Abstand von 400 µm angeordnet. Die Farbe variiert von Rot
(für Fe2+) bis Violett (für Fe3+). Die Verschiedenartigkeit der Elektroden hängt
eventuell vom Herstellungsverfahren oder einer Inhomogenität des Drucks
im Inneren der Zelle ab.
Beim Ladevorgang einer Lithiumbatterie, deren positive
Elektrode aus LiFePO4 besteht, aufgezeichnete Kartografie.
6.4Die Sicherheit lebensmittelechter Verpackungen – UV-Fluoreszenzspektroskopie
(Beamline „DISCO“)
Die chemische Zusammensetzung von Verpackungsmaterialien, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, löst derzeit heftige
Diskussionen aus. Immer mehr Zusatzstoffe (häufig verwendet werden Antioxidantien wie Phenole oder Sulfate) oder Rückstände (wie
zum Beispiel aromatische Amine), die in Plastikverpackungen zu finden sind, können für den Verbraucher ein hohes gesundheitliches
Risiko darstellen. Wie aber kann man die Belastung von Lebensmitteln durch solche Stoffen messen? Hierfür existieren bereits einige
Modell-Ansätze, die jedoch nur für wenige Substanzen anwendbar sind.
Um den prädiktiven Rahmen erweitern zu können, wurden an der Beamline „DISCO“ die Diffusionskoeffizienten mehrerer Serien von
aromatischen, homologen Molekülen gemessen (Ref. 5). Die Konzentration der gefundenen Spuren (< 100 mg.kg-1) wurde mithilfe der
Fluoreszenzemission als Reaktion auf Anregungslicht einer Wellenlänge von 285-295 nm bestimmt. Die Ergebnisse zeigten universelle
Mechanismen einer additiven Verschiebung von Molekülen in der thermoplastischen Matrix. Für mittelgroße Moleküle entsprechen die
Diffusionsgesetze keinem bekannten Mechanismus (z.B. Stokes-Einstein, Rouse, etc.). Für die halb-starren Moleküle wird die Diffusion eher
von der Geometrie der Moleküle, als von den Eigenschaften der Polymermatrizen (Dichte, Kristallinität, etc.) bestimmt. Die Ergebnisse legen
nahe, dass es möglich wäre, aktive Moleküle (zum Beispiel Antioxidantien) mit kontrollierter Mobilität zu entwickeln. Ziel der Anwendungen
ist die Entwicklung von weniger reaktivem Verpackungsmaterial und Materialien, deren Alterungsprozess besser kontrolliert werden kann.
Methode zur Bestimmung des
Diffusionskoeffizienten durch
Fluoreszenzmikrospektrometrie
M (g.mol-1)
Fluoreszenzemissionsspektrum
Duffusionskoeffizient von Oligo-phenylen
in Polypropylen (Kristallinität = 30%)
31
Anwendungsbereiche
6.5 Aus Blau wird Grau– Murillos Kunstwerke im Wandel der Zeit
Röntgenabsorptionsspektroskopie (Beamline „LUCIA“)
Zwischen dem 16. und 18. Jahrhundert war Kobaltglas (Smalte; Anm.d. Übers.) bei Malern wie
Veronese und Murillo eine sehr beliebte Basis für blaue Farbe. Für seine Herstellung mischte man
Kobalterz mit Siliziumoxid (zum Beispiel in Form von Sand) und Kalium, so erhielt man ein Glas mit
einem intensiven Blauton, das anschließend zu Puder zermahlen wurde. Leider verlor dieser Blauton
mit der Zeit seine intensive Farbe und so hat zum Beispiel der blaue Himmel auf vielen der Bilder des
spanischen Malers Murillo heute eine gräuliche Farbe angenommen - was die Wirkung des Bildes
erheblich beeinflusst.
Probe
Absorbance
Das Phänomen der Entfärbung von Bildern, das schon seit dem 17. Jahrhundert beschrieben wurde,
blieb lange Zeit ungeklärt… Im Jahr 2011 allerdings gelang es Forschern des IPANEMA (einer
internationalen Plattform für die Erforschung archäologischer Funde), des Synchrotrons SOLEIL,
der National Gallery in London und des C2RMF (Ref. 6) nachzuweisen, dass die Entfärbung mit
der Migration der Kalium-Ionen heraus aus den Pigmentkörnern zusammenhängt, ein Prozess,
der von der Modifikation von Gläsern her wohl bekannt ist, er geht mit einer Änderung der
Koordinationszahl des Kobaltsions einher und verursacht den Verlust der blauen Farbe.
Diese Ergebnisse gewann man durch eine Analyse von Mikro-Proben, die Werken aus
der National Gallery und dem Musée du Louvre entnommen worden waren, und mit
Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Beamline „LUCIA“ in SOLEIL untersucht worden
waren. Die einmalige Kombination aus dem Durchmesser des Röntgenstrahles von (der
Grössenordnung eines Mikrometers), verbunden mit seinem weiten Energiebereich, war
bestimmend, um einzelne Kobaltblaukörner in den Proben zu untersuchen und dem vier
Jahrhunderte dauernden Rätsel ein Ende zu setzen.
6.6 Altersbestimmung von exotischen Bäumen mittels
Röntgenfluoreszenzspektroskopie (Beamline „DIFFABS“)
smalt bien préservé
smalt altéré
7700
7750
7800
Energie (eV)
7850
“The Heavenly and Earthly Trinities”
(“The Pedroso Murillo”), Werk von Bartolomé
Estaban Murillo - © National Gallery, London.
Sowohl die vollständig erhaltenen als auch die
modifizierten Kobaltglaskörner wurden mittels
Röntgenabsorptionsspektroskopie und der
Analyse der K-Absorptionskante von Kobalt
und des Bereichs rund um dieselbe
(XANES- und EXAFS-Bereich) untersucht.
Auf den mittleren Breitengraden bilden Bäume jedes Jahr im Frühling, wenn das Wachstum wieder zunimmt, einen Ring, der auch Jahresring
genannt wird. Die Dendrochronologie befasst sich mit der Erforschung dieser Jahresringe, sie ermöglicht ein genaues Datieren des Alters
der Bäume, und liefert zudem noch einige andere Informationen. Die Breite der Jahresringe wird von Niederschlägen, Temperaturen,
Sonneneinstrahlung, der Beschaffenheit des Bodens und vielen anderen äußeren Bedingungen (die Einflussnahme des Menschen auf die
Natur, Krankheiten, Parasiten) beeinflusst. Je breiter der Jahresring, desto günstiger waren die Wachstumsbedingungen. Diese Informationen
sind Anhaltspunkte für Aussagen über die Entwicklung der CO2 Konzentration in der Erdatmosphäre oder die des Klimas.
Bei tropischen Bäumen, die in Regionen wachsen, wo das Klima nur geringfügig variiert und die Wachstumskonditionen immer günstig
sind, ist nicht eindeutig zuzuordnen, worüber ein Wachstumsring Auskunft geben kann. Noch immer kann das Alter tropischer Bäume nicht
eindeutig bestimmt werden und es wurde noch keine Alternative zur Dendrochronologie gefunden. So ist es sehr schwierig die tropischen
Regenwälder, die von zentraler Bedeutung für die „Gesundheit“ unseres Planeten sind, nachhaltig zu bewirtschaften. Dieser, seltsamerweise
bisher noch wenig erforschten, Problematik haben sich die Phytoökologie-Experten des INRA (das nationale französische Forschungsinstitut
für Agronomie) aus Nancy angenommen. Sie sind auf der Suche nach regelmäßig vorkommenden Kennzeichen in den Jahresringen der
Bäume, wie zum Beispiel das wiederholte Vorkommen einer erhöhten Kalziumkonzentration während feuchter Perioden (Ref. 7).
47
41
38
39
40
42
43
45
44
48
49
46
50
53
51 52
56
54 55
Kupfer (in tausend Ereignissen)
Kalzium (in tausend Ereignissen)
An der Beamline „DIFFABS“ wurden Proben von Baumstämmen aus einer 56 Jahre alten Plantage in der Demokratischen Republik
Kongo untersucht. Bäume aus kontrollierter Plantagen-Pflanzung bieten den Vorteil, dass ihr genaues Alter von vornherein bekannt ist,
dies ist notwendig, um die Methode überprüfen zu können. Die Proben der
30
400
Baumstämme wurden mit monochromatischer Röntgenstrahlung mit einer
Energie von 10,7 keV bestrahlt. Sie wurden vom Mittelpunkt bis zur Rinde
Cuivre
300
der Baumstämme mittels energiedispersiver (EDS) Röntgenspektroskopie
20
untersucht und die Variationen der radialen Konzentrationen der Elemente K,
Ca, Mn, Fe, Cu und Zn wurden mit einer Auflösung von 200 μm gemessen.
200
Das Element Kalzium (Ca) kennzeichnet die markantesten Zyklen: 56 Zyklen
10
Ecorce
vom Mittelpunkt des Baumstamms bis zur Rinde. Diese neuen Ergebnisse
100
auf dem bisher nur wenig erforschten Gebiet, weisen die Existenz der
Calcium
chemischen Kennzeichen nach, die von den zyklischen Schwankungen der
0
0
150
170
190
210
Umwelt verursacht werden und im Holz erhalten bleiben. Dies ermöglicht im
Abstand vom Zentrum
Nachhinein eine Rekonstruktion des Wachstums tropischer Bäume.
32
Anwendungsbereiche
6.7Magnetotaktische Bakterien - Zirkularer magnetischer Röntgendichroismus
(Beamline „DEIMOS“)
Lebewesen können Mineralien, ja sogar magnetische Mineralien produzieren. Letzteres trifft zum Beispiel auf die sogenannten
„magnetotaktischen“ Bakterien zu, die magnetische Partikel, Magnetosomen genannt, in sich tragen. Diese Bakterien leben in Gewässern
und Sedimenten, wo sie ihre Nahrung am Übergang zwischen sauerstoffhaltigen und nicht sauerstoffhaltigen Oberflächen finden. Dank ihrer
magnetischen Partikel, die wie ein Kompass wirken, folgen sie den Linien des Erdmagnetfeldes und bewegen sich lediglich eindimensional
„entlang der Nahrungsgradienten“ fort, eine vorteilhaftere Methode, als dreidimensional im Raum nach Nahrung zu suchen.
Magnetosomen bestehen aus Kristallen von Magnetit (Fe3O4) oder
Greigit (Fe3S4). Mit ihrer Größe (einige Dutzend nm), ihrem kristallinen
Aufbau und ihrer großen chemischen Reinheit sind Magnetosomen
hochoptimierte Objekte. Nehmen wir ihre Größe: Die Kristalle sind
magnetische Einzeldomänen mit maximaler Magnetisierung. Wären
sie größer, enthielten sie mehrere veschieden orientierte Domänen
und ihre Gesamtmagnetisierung wäre reduziert. Zudem haben sie
eine höhere Fe2+-Konzentration als nicht biologische Kristalle, was
ebenfalls ihre Magnetisierung erhöht.
0,2
A
B
0,0
-0,2
C
D
0,5
0,0
A (Nanomagnetite) und B (Kristall)
sind biologischen Ursprungs.
C (Nanomagnetite) und D
(Kristall) sind chemischen (nicht
biologischen) Ursprungs.
Wie erzeugt dieses Bakterium einen Kristall von so hoher Qualität,
wie es bisher noch kein chemischer Prozess ermöglicht? Von
welchen genetischen und umweltbezogenen Faktoren wird
der Kristallisationsvorgang bestimmt? Diesen und anderen Fragen versuchen die Mitglieder der
Forschungsgruppe MMABADI vom Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés auf
den Grund zu gehen. Dazu dient ihnen die Beamline „DEIMOS“ als Werkzeug (Ref. 8).
-0,5
-1,0
700
710
720
730
740
750
Energie (eV)
Graphen rechts: XMCD-Signal eines
Magnetits biologischen Ursprungs
und darunter, der unterschied der
XMCD-Spektren von biologischem
und chemischem Magnetit.
„DEIMOS“ ist auf die Anwendung des zirkularen magnetischen Dichroismus weicher Röntgenstrahlung (Differenzenspektrum
zwischen Röntgenabsorptionsspektrum von links- oder rechts-zirkular polarisierter Strahlung) zugeschnitten. Der zirkulare magnetische
Röntgendichroismus ist eine ideale Methode zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von Nanostrukturen. Bezüglich der
magnetotaktischen Bakterien ermöglicht diese Methode eine Menge an Informationen über die Kristallchemie der Magnetitkristalle
(der Valenzzustand von Eisen, das Verhältnis Fe2+/Fe3+ im Inneren der untersuchten Kristalle, etc.) zu erhalten.
6.8 Ein Miniaturkomet – Infrarotspektroskopie (Beamline « SMIS »)
Ein von der NASA bereitgestellter Partikel interplanetaren Staubs [auch als IDP (von engl.: Interplanetary Dust
Particle) bezeichnet], von dem angenommen wird, dass er von einem Kometen stammt, wurde im Labor mit
unterschiedlichen Methoden analysiert. Dazu zählen sowohl Infrarotspektroskopie (2 bis 60 µm) als auch
Raman- und FESEM-EDX-Spektroskopie im Rahmen der Untersuchung von Kometenmaterie, die von der
Gruppe „Astrochemie und Ursprünge“ des Instituts für Astrophysik der Universität Orsay in Zusammenarbeit
mit der Beamline „SMIS“ von SOLEIL und der „Parthenope“ Universität Neapel (Italien) durchgeführt wurde.
Teilchen interplanetaren
Staubs (nach der
Komprimierung)
Das IDP ist ein poröses Chondrit-Aggregat (ein Chondrit ist ein steinartiger Meteorit, der
hauptsächlich aus Silikat-Mineralien und zu mindestens 35% aus Metall besteht). Um die
Qualität der spektroskopischen Daten zu verbessern, wurde das Partikel in einer Diamantzelle
komprimiert um den Beugungseffekt des Lichtes, zu minimieren, da die Partikelgröße
vergleichbar mit der zur Observation verwendeten Lichtwellenlänge war. Die Kombination dieser
Methoden ermöglichte eine mineralogische und organische Beschreibung des Partikels. Das
Infrarotabsorptionsspektrum das an der SMIS Beamline aufgenommen wurde, zeigt frappierende
Ähnlichkeit mit dem aus der Entfernung aufgenommenen Infrarotemissionsspektrum des
Kometen Hale-Bopp (*).
Dieses Ergebnis unterstreicht die Bedeutung der Laboranalysen dieser IDPs für die Interpretation
astronomischer Daten. Des Weiteren weist es darauf hin, dass ein Großteil der, mit der
Beobachtung des Kometen aus der Ferne gewonnenen Informationen, auch aus den physiochemischen Eigenschaften eines IDPs mit einer Größe von ca. 20 µm ersichtlich wird. Das IDP und seine chemische/mineralogische
Zusammensetzung stellen daher eine Art vom Himmel gefallenen „Miniaturkometen“ dar (Ref. 9).
Vergleich des Spektrums des Kometen HaleBopp mit dem des untersuchten Partikels (IDP)
( ) Es ist möglich, ein Infrarotemissionspektrum mit einem Absorptionsspektrum zu vergleichen, denn jede absobierte Wellenlänge kann emittiert werden, wenn die
*
Substanz vorher angeregt wurde. Dies ist hier der Fall.
33
Anwendungsbereiche
6.9Graphen – eine Alternative zu Silizium? Photoemissionsspektroskopie
(Beamline „CASSIOPEE“)
Sehen wir uns Graphen einmal in seiner Urform Graphit an: Graphit besteht aus einer Folge von Schichten mit einem Abstand von
0,335 nm. Jede Schicht ist eine Kohlenstoff-Monolage (mit einer planaran, hexagonalen Struktur), die als Graphen bezeichnet wird.
André Geim vom Fachbereich Physik der Universität Manchester gelang es im Jahr 2004 erstmals Graphen zu isolieren. Für seine
Entdeckung erhielt er 2010 gemeinsam mit Konstantin Novoselov den Nobelpreis für Physik.
Graphen ist ein guter Kandidat für Hochfrequenz-Elektronik
(Transistoren), da die Elektronen innerhalb der dünnen Schichten
eine wesentlich größere Mobilität als in den meisten gängigen
Leitern besitzen. Jedoch (es gibt immer ein „jedoch“…) - Wenn
Graphenlagen aufeinandergestapelt sind (Multilagen lassen
sich viel leichter erzeugen als Monolagen) oder wenn sie an
einem Substrat haften, sorgt die Interaktion zwischen den
aufeinanderfolgenden Schichten dafür, dass diese besondere
Eigenschaft verschwindet. Glücklicherweise ist dies nicht der Fall
für die Schichten, die im sogenannten „eptitaktischen Graphen“
zu finden sind. Diese besonderen Schichten entstehen durch
ein Wachstum der Graphenlagen auf der kohlenstoffhaltigen
Oberfläche von Siliziumcarbid (SiC).
Bandstruktur von 10 Graphenlagen. Messung durch winkelaufgelöste
Photoemissionsspektroskopie (ARPES) an der Beamline „CASSIOPEE“.
Forschergruppen des CNRS (Grenoble), des Georgia Institute of Technology (Atlanta, USA) und der Universität Paris Sud ist es dank
Experimenten mit winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie an der Beamline „CASSIOPEE“ (Ref. 10) gelungen, die Existenz
dieser besonderen Schichtfolge nachzuweisen: Die Probe bestand aus einem Dutzend atomarer Monolagen epitaktischen Graphens
mit derselben spektralen Signatur wie der eines Dutzends eindimensionaler Ebenen. Außerdem, bedeutet die „V-inverse“ spektrale
Signatur, dass die Elektronen in Graphen in nanometrisch kleinen Strukturen eingesperrt werden können. Daraus folgt: Die Verwendung
epitaktischen Graphens mit mehreren Schichten wird ernsthaft für die Anwendung in der Elektronik in Erwähnung gezogen.
Referenzen
• Ref. 1 : Magnetismus, Band 1 und 2, unter der Leitung von Étienne du Trémolet de Lacheisserie – EDP Sciences, 2000.
• Ref. 2 : Le Naour, F., Bralet, M. P., Debois, D., Sandt, C., Guettier, C., Dumas, P., Brunelle, A., & Laprévote, O. ; Chemical Imaging
on Liver Steatosis Using Synchrotron Infrared and ToF-SIMS Microspectroscopies. PLoS One, 2009, 4(10): e7408.
• Ref. 3 : Chandran, V., Fronzes, R., Duquerroy, S., Cronin, N., Navaza, J., & Waksman, G. Structure of the outer membrane
complex of a type IV secretion system. Nature, 2009, 462(7276): 1011-1015.
• Ref. 4 : «SAMBA », « ODE », « LUCIA » und « CRISTAL » sind die vier Beamlines des Synchrotrons SOLEIL, die an dem Projekt
PULSSE (Programme pour l’utilisation de la lumière synchrotron dans le domaine du stockage d’énergie) beteiligt sind.
Zudem sind an PULSSE noch zwei weitere Labore beteiligt: das Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes (IMN) und das
Laboratoire de Réactivité et Chimie du Solide d’Amiens (LRCS).
• Ref. 5 : O. Vitrac, X. Fang, F. Jamme, M. Refregiers. UMR 1145 GENIAL (INRA AgroParisTech), SOLEIL, UAR 1008 CEPIA (INRA).
• Ref. 6 : Die drei Partner des Projektes sind: IPANEMA (Labor des CNRS am Synchrotron SOLEIL), das Scientific Department der
National Gallery in London, das Centre de Recherche et de Restauration des Musées de France (C2RMF), UMR171 des CNRS.
• Ref. 7 : Département EFPA (Ecologie des Forêts, Prairies et milieux Aquatiques), Unité Ecologie et Ecophysiologie Forestière http://www.nancy.inra.fr/l_inra_en_lorraine/structures/eef.
• Ref. 8 : Carvallo, C., Ph. Sainctavit, M.-A. Arrio, N. Menguy, Y. Wang, G. Ona-Nguema und S. Brice-Profeta (2008). “Biogenic vs.
abiogenic magnetite nanoparticles: A XMCD study”, American Mineralogist 93(880-886).
• Ref. 9 : Brunetto, R., et al., Mid-IR, Far-IR, Raman micro-spectroscopy, and FESEM-EDX study of IDP L2021C5: clues to its origin,
Icarus (2011), doi:10.1016/j.icarus.2011.01.038.
Weitere Buchempfehlung: Crovisier, J, et al., 1997, Science, 275, 1904.
• Ref. 10 : M. Sprinkle et al., cond-mat/1001.3869 - M. Sprinkle et al., Phys Rev Lett, 103, 226803 (2009).
34
Musterlösung des Arbeitsblattes für die Schüler
Musterlösung des Arbeitsblattes für die Schüler
• Ordnen Sie folgende Begriffe paarweise an:
Kommunikation mit U-Booten / Suche nach Lawinenopfern: Radiowellen – Geigerzähler : Gammastrahlen – Sonnenbank
(Solarium) / Sterilisator: UV - Sterilisator / Scanner (Radiografie) : Röntgen – Radar / Mobiltelefon: Mikrowellen – Netzhaut:
sichtbar – Fernbedienung: Infrarot.
• Geschwindigkeit der Elektronen:
Nicht relativistische Berechnung: v2 = 2Ec/m0 - So erhält man: v2 = 3 x 1016, dies ergibt eine Geschwindigkeit v ≈ 1,7x108 m.s-1
die sich c/2 annähert.
Relativistische Berechnung: Ec = Et - E0 = E0 (1
-1), dies ergibt
.
Am Ausgang der Kanone ergibt die nicht relativistische Berechnung v = 1,78.108 m/s und die relativistische Berechnung ergibt v
= 1,58.108 m/s.
Die beiden Rechnungen ergeben ≈ c/2. Man kann eine klassische Schätzung vornehmen.
Nach einem Meter ergibt die nicht relativistische Berechnung v = 10,3.108 m/s und die relativistische Berechnung ergibt v
= 2,97.108 m/s, so ergibt sich v = 0,99c. Man muss also die relativistische Berechnung verwenden, die klassische Schätzung reicht nicht
mehr aus.
• Eine Frage der Dimension:
Metrische Skala des Magnetismus: Elektron – Atom – kubisches Gitter – Weissche-Bezirke – Molekulares Feld
– magnetische Zellen auf einer Festplattenspur– Festplatte eines Computers
• Auf den Spuren Pascals und Guerickes: Das magische Glas
Auslegung: Wenn das Blatt nicht fällt, dann weil es einer Kraft nach oben mit gleichem oder größerem Gewicht als dem des Papiers
und des Wassers unterworfen ist. Diese Kraft hängt vom atmosphärischen Druck ab, der sich lediglich auf die untere Seite des
Papiers auswirkt, da auf der oberen Seite des Papiers die Kraft vom Druck der Wasserhöhe im Glas abhängt. Die Wasserhöhe müsste
10,3 m betragen, um die Kraft des atmosphärischen Drucks auszugleichen!
• Absorptionsspektrum : H, C, N et O
• Temperatur und Farbe:
- Rigel-Strahlung (12 000 °C) : 2,4 10-7 m im UV-Bereich
- Sonnenlicht (5500 °C): 5,0 10-7 m im grünen Bereich
- Betegeuze-Strahlung (3000 °C) : 8,9 10-7 m im Nahinfrarotbereich
- Der menschliche Körper (37 °C) : 9,4 10-6 m im Infrarotbereich
- Kosmische Hintergrund-Strahlung (3 K) : 10-3 m im Mikrowellenbereich
Danksagung
Der Kommunikationsservice von SOLEIL dankt allen Personen, die zur Entstehung dieser Broschüre beigetragen haben,
insbesondere Marie-AgnesTordeux, François Baudelet (SOLEIL, Beamline, „ODE“), Stefan Kubsky, und Philippe Sainctavit
(Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés, UPMC).
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Glossar von SOLEIL
Glossar von SOLEIL
• ACO : Anneau de Collisions d’Orsay (Kollisionsring der Universität von Orsay)
• Beamline : Labore, in die die Synchrotronstrahlung gelenkt wird. Dort wird sie von optischen Systemen gefiltert, um schließlich in
der Versuchskabine auf den Versuchsgegenstand zu treffen.
• Beschleunigung: Änderung des Geschwindigkeitsvektors.
• Booster: (im Fall von SOLEIL): Ovaler (Vor-)Beschleuniger mit einem Umfang von 157 m, der dazu dient die Elektronenpakete von
110 MeV (Energiewert beim Verlassen des Linacs) auf 2750 MeV zu beschleunigen.
• Dipol (oder Umlenkmlagnet): Magnet, der zwei Spulen besitzt, die von einem Strom durchflossen werden, die eine Spule stellt
den Nord-, die andere den Südpol des Magneten dar. Der Dipol dient zur Krümmung der Elektronenlaufbahn.
•
Elektromagnetische Strahlung: Strahlung, die auf zwei Arten beschrieben wird: zum einen als korpuskular (Ausbreitung eines
Photonenstroms), zum anderen als Welle (Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle. Die elektromagnetische Welle ist eine
Kombination aus zwei Wellen; eine elektrische und eine magnetische, die gleichzeitig in zwei senkrecht zueinanderstehenden
Ebenen schwingen.
• Elektron: Elementares Teilchen der Leptonengruppe; es besitzt eine negative elektrische Ladung.
• eV: Elektronenvolt (entspricht der kinetischen Energie eines Elektrons das eine Spannung von 1V durchläuft).
• EXAFS: Extended X-ray Absorption Fine Structure (Verfahren der Röntgenabsorptionsspektroskopie, das hauptsächlich
Synchrotronstrahlung verwendet)
• Hohlraumresonator: Vorrichtung, die elektromagnetische Wellen verwendet, um geladene Teilchen im Beschleuniger zu
beschleunigen. Da die Frequenz des elektrischen Feldes der von Radiowellen entspricht, heissen diese auch Hochfrequenzkavitäten.
• IR: Infrarotstrahlung.
• LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung).
• Linac: (im Fall von SOLEIL) : Abkürzung von engl.: „linear accelerator“. Hierbei handelt es sich um einen 16 m langen
Linearbeschleuniger, dessen Aufgabe darin besteht, Elektronenpakete zu bilden und dann auf 110 MeV zu beschleunigen
• LURE: Laboratoire d’Utilisation du Rayonnement Électromagnétique (Orsay, Frankreich).
• Photon: Massenloses Teilchen, elektromagnetische Strahlung.
• Röntgenstrahlung: 895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte Strahlung.
• SOLEIL: Source Optimisée de Lumière d’Énergie Intermédiaire du LURE (Saint-Aubin, Frankreich)
• Elektromagnetisches Spektrum: Einteilung elektromagnetischer Wellen verschiedener Energien in unterschiedliche Bereiche und
Einheiten, je: Energie der Photonen (in eV), Wellenlänge (in m), Frequenz (in m-1)
• Speicherring: (im Fall von SOLEIL): Kreisförmiger Teilchenbeschleuniger mit einem Umfang von 354 m. Er dient dazu
Elektronenpakete zu „speichern“ und sie für mehrere Stunden bei einer Energie von 2750 MeV kreisen zu lassen.
• Synchrotron: Teilchenbeschleuniger, innerhalb dessen
Erhöhung der Energie der Teilchen synchronisiert sind.
die Erhöhung eines von Dipolen erzeugten Magnetfeldes und die
• Synchrotronstrahlung: (im Fall von SOLEIL): Licht, das von den im Speicherring kreisenden Elektronen abgegeben wird. Die
Synchrotronstrahlung wird durch Umlenkung (Krümmung) der Elektronenbahn erzeugt, dies geschieht mithilfe eines
Magnetfeldes (Lorentzkraft), das von Dipolen oder Undulatoren erzeugt wird.
• Teilchenbeschleuniger : Maschine, die geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen) beschleunigt und sie auf hohe
kinetische Energien bringt. Um die Teilchen zu beschleunigen werden elektrische Felder verwendet, um sie zu lenken und zu
fokussieren verwendet man magnetische Felder. Das Synchrotron ist eine Art von Teilchenbeschleuniger.
• Umlenkmagnet: siehe Dipol
• Undulator: In den geradlinigen Strecken des Speicherrings angebrachte Vorrichtung, bestehend aus zwei sogenannten „Kiefern“
aus kleinen aneinandergereihten Magneten, die die Elektronen in eine wellenförmige Bahn (ähnlich der eines wedelnden
Skifahrers) lenken. Sie dienen dazu, die Brillanz der von den Elektronen abgegebenen Strahlung zu vergrössern.
• UV: Ultraviolettstrahlung.
• Vakuum: Raum, in dem ein wesentlich geringerer als der atmosphärische Druck herrscht.
• XANES: X-ray Absorption Near Edge Structure [Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (Spektroskopie-Verfahren zur
Untersuchung von Festkörperoberflächen).
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Document réalisé avec le soutien du Rectorat de Versailles - www.synchrotron-soleil.fr - Tél. 01 69 35 90 20 - Réalisation Epsim - Exécution : Vincent GRÉGOIRE © SOLEIL 2012
• CNRS: Centre National de la Recherche Scientifique (Frankreichs Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung).
Schülerarbeitsblatt
Pädagogoische
Informationsbroschüre SOLEIL
• Ordnen Sie zu :
Einige Objekte nutzen elektromagnetische Wellen. Ordnen Sie diese den entsprechenden Wellen zu:
Kommunikation mit U-booten
Radiowellen
GeigerzählerMikrowellen
BräunungsstrahlerInfrarot
Sterilisator
Sichtbares Licht
RadarUltraviolett
LawinenopfersucheRöntgenstrahlen
RetinaGammastrahlen
Röntgengerät (radiographie)
Fernbedienung
Mobiltelefon
• Überprüfen Sie diese zwei Behauptungen :
Die zwei Behauptungen betreffen die Geschwindigkeit der Elektronen im Linac (dem Linearbeschleuniger, der den ersten Teil
der Maschine SOLEIL darstellt): Am Ausgang der Kanone haben die Elektronen der Energie 90keV eine Geschwindigkeit von
ungefähr c/2. Nach einem Meter, auf eine Energie von 3MeV beschleunigt, erreichen sie eine Geschwindigkeit von 0,99c (sie
werden „relativistisch“), mit c der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Sie haben die zwei folgenden Formeln zur Verfügung, relativistisch
und nichtrelativistisch. Welche wählen Sie? Kann man immer die klassische Näherung wählen ?
• Die nichtrelativistische Rechnung : Ec = 1/2 mov2 (mit Ec : kinetische Energie des Elektrons, m0 seine Ruhemasse, v seine
Geschwindigkeit)
• Die relativistische Rechnung : Et = E0 + Ec (Et : Gesamtenergie des Elektrons, E0 seine Ruheenergie)
1 eV = 1,60218 x 10-19 J et m0 = 9,1x10-31 kg
E0 = m0.c2 = 0,511 MeV
Et = m.c2 avec m = m0
• Eine Frage der Grösse :
Sechs Erscheinungsformen des Magnetismus, auf sechs verschiedenen Grössenordnungen. Können Sie diese der Reihe nach
anordnen ?
Elektron
Computerfestplatte
Kubisches Gitter
Eiss’sche Bezirke
(Molekulares Feld)
1
Atom
Magnetische Zellen auf einer
Computerfestplatte
Schülerarbeitsblatt
• Auf den Spuren von Pascal und Guericke : Das magische Glas
Material : Ein festes Blatt (Karton-) Papier, ein Glas Wasser.
Umsetzung des Experimentes: günstigerweise führt man das Experiment über einem
Waschbecken durch. Füllen Sie das Wasserglas randvoll und legen Sie das Papier darauf, ohne
dabei eine Luftblase einzuschliessen. Drehen Sie das Glas um, während Sie das Papier mit der
Hand halten. Nun können Sie die Hand wegziehen.
Frage: Warum fällt das Papier nicht herunter ?
• Absorptionsspektren:
Referenzabsorptionsspektren im fernen UV, zwischen 90 und 120 nm:
Wasserstoff
Molekularer Wasserstoff
Kohlenstoff
Stickstoff
Sauerstoff
Eisen
Bestimmen Sie die im Spektrum vorkommenden Elemente
anhand der obenstehenden Referenzspektren
• Farbe und Temperatur :
Jeder warme Körper, der also eine Temperatur von mehr als 0K (-273°C) hat, strahlt
Licht ab. Die Lichtintensität variiert mit der Wellenlänge. Für einen „schwarzen
Ein schwarzer Körper ist eine idealer
Körper“, ergibt das eine glockenförmige Kurve für jeden Temperaturwert T des
Körper, der alle eintreffende Strahlung
Körpers (das Planksch’sche Gesetz). Sie hat ihr Maximum bei der Wellenlänge λmax
absorbiert, und eine seiner Temperatur
die dem 1893 gefundenen Wien’schen Verschiebungsgesetz folgt.
max
= 2,90.10-3 / T où
max
charakteristische Strahlung abgibt, wie
die untenstehende Grafik zeigt.
est en mètres (m) et T en kelvin (K).
Nehmen Sie an, dass die folgenden Strahlungsquellen schwarze Körper sind,
Rayonnement du corps noir
Loi de Planck (en log-log)
untenstehenden Welelnlängenskala gemäss des Wellenlängenmaximums (oder
der Farbe) ihrer Emission an:
Rigel : 12 000°C
Soleil : 5500°C
Betegeuze : 3000°C
Intensité lumineuse
und ordnen Sie diese unter Verwendung des Wien’schen Gesetzes auf der
Menschlicher Körper: 37°C
Kosmischer Untergrund : 3 K
2
11000
Ondes radio
10-3
Infrarouge
7,5.10-7
Micro-ondes
Visible
6,1.10-7
Rouge
5,9.10-7
Orange
5,7.10-7
Jaune
5.10-7
Vert
Bleu
4,5.10-7
Violet
Ultraviolet
Rayon X
Gamma
10-1210-184.10-7
(m)