La luce di sincrotrone è la radiazione emessa da particelle cariche accelerate che viaggiano a velocità relativistiche. Il suo nome deriva dal fatto che fu osservata per la prima volta nel 1947, nel visibile, in un acceleratore di elettroni chiamato sincrotrone. Le sorgenti di luce di sincrotrone emettono anche Raggi X.

PROPRIETA’ DELLA LUCE DI SINCROTRONE

Distribuzione spaziale

Quando le particelle cariche (tipicamente elettroni o positroni) viaggiano a velocità molto basse rispetto alla velocità della luce il profilo spaziale della radiazione emessa ha la forma di un pneumatico che ruota attorno all’orbita elettronica insieme alla carica. A velocità relativistiche il profilodi radiazione è decisamente tutto concentrato in avanti.


Un osservatore che guarda tangenzialmente verso l’orbita elettronica vede venirgli incontro una lamina di luce estremamente intensa e sottile, parallela al piano orbitale degli elettroni.
Nell’acceleratore di elettroni di Grenoble, a 100 metri di distanza dalla sorgente, il fascio si allarga in verticale di meno di 1 cm

Flusso e Distribuzione energetica

Le sorgenti di luce di sincrotrone sono caratterizzate da un flusso molto elevato e da una distribuzione spettrale estremamente ampia che si può estendere dall’infrarosso ai raggi X molto duri.

Le sole sorgenti che, in quanto a flusso, possano competere con quelle di luce di sincrotrone sono i laser, ma questi emettono in regioni molto limitate dello spettro elettromagnetico.
Confronto fra distribuzioni spettrali schematiche di luce di sincrotrone a diverse energie elettroniche (in GeV) e spettri di lampade a scariche di gas rari.


Brillanza

Un indice delle potenzialità di una sorgente di luce è la brillanza.
Nella regione dei raggi X le sorgenti di luce di sincrotrone hanno brillanze elevatissime.


Nei primi ottanta anni dalla scoperta dei raggi X questo parametro è cresciuto di circa due ordini di grandezza e ha consentito le scoperte scientifiche e le applicazioni tecnologiche e mediche di cui questa mostra dà testimonianza. Negli ultimi venti anni la brillanza delle sorgenti di luce di sincrotrone è aumentata di ben 12 ordini di grandezza. Questo incremento lascia ritenere che i prossimi 100 anni di raggi X saranno altrettanto proficui per la scienza e la vita di tutti i giorni.

SORGENTI DI LUCE DI SINCROTRONE NEL MONDO


Grafico delle sorgenti di luce di sincrotrone operative o in fase di costruzione nel mondo.
In verticale è riportata l’energia del fascio di elettroni (o positroni) in orizzontale l’anno di costruzione dell’acceleratore.

PRODUZIONE DELLA LUCE DI SINCROTRONE

Negli acceleratori la radiazione viene emessa laddove le particelle si muovono di moto accelerato. Si estrae luce di sincrotrone da magneti curvanti (presenti nella maggior parte degli acceleratori) e da magneti appositamente inseriti lungo il cammino degli elettroni per costringerli a percorrere una traiettoria oscillatoria. Questi dispositivi sono denominati wiggler e ondulatori e sono presenti in macchine dedicate alla produzione di luce di sincrotrone.


Wiggler e ondulatori sono strutture magnetiche periodiche che producono un campo magnetico alternato perpendicolare al piano dell’orbita elettronica.
La differenza tra un wiggler e un ondulatore è nel numero di oscillazioni impresse al fascio di elettroni: nei wiggler queste sono al massimo una decina, negli ondulatori sono di molte decine.

Confronto fra la luminosità spettrale media di magneti curvanti, wiggler e ondulatori:


(a) di un magnete di deflessione in cui gli elettroni viaggiano a velocità molto inferiori a quelle della luce.
(b) di un magnete di deflessione in cui gli gli elettroni viaggiano a velocità relativistiche.
(c) di un wiggler in cui gli elettroni viaggiano a velocità relativistiche e producono un fascio simile al precedente, ma molto più luminoso, che è il risultato della sovrapposizione della radiazione originata lungo ciascuna oscillazione del cammino degli elettroni.
(d) Il fascio uscente da un ondulatore è focalizzato molto più strettamente e di conseguenza è più luminoso. A causa di effetti di interferenza, i fotoni vengono concentrati a seconda della loro energia (indicata dai vari colori) ad angoli specifici rispetto all’asse del fascio; con una fenditura anulare è possibile selezionare radiazione di una particolare energia.

LINEE DI LUCE

Il fascio di radiazione di sincrotrone emesso dagli elettroni circolanti nell'anello di accumulazione viene incanalato in una linea sotto vuoto detta "linea di luce" (in inglese "beamline").

Schematicamente, una linea di luce è composta da una sezione ottica, contenente un monocromatore per la selezione della lunghezza d'onda e da uno o più specchi per la focalizzazione, e da una sezione sperimentale, contenente gli apparati per eseguire misure di spettroscopia o diffrazione.


Ottica dei Raggi X

Non esistono lenti per Raggi X come quelle che si usano per la luce visibile!
La ragione principale è che l’indice di rifrazione dei raggi X differisce da 1 per una quantità molto piccola (10^-5 ). In pratica l’effetto di rifrazione è molto debole.
L’ottica dei raggi X sfrutta essenzialmente il fenomeno della riflessione totale.

La radiazione X, sebbene sia collimata naturalmente, viene raccolta in un fascio convergente da uno specchio ellittico o parabolico, disposto in modo che la radiazione lo colpisca ad incidenza radente, altrimenti una notevole percentuale di raggi di minore lunghezza d’onda sarebbe assorbita anzicchè riflessa.

I raggi entrano quindi in un monocromatore (un reticolo di diffrazione) e vengono dispersi in uno spettro. Alle lunghezze d’onda ultraviolette il monocromatore è essenzialmente una lastra di vetro con incisioni parallele (reticolo); alle lunghezze d’onda dei raggi X, le incisioni vengono sostituite dalle file ordinate di atomi di un cristallo. Infine il fascio monocromatico viene indirizzato sul campione. La quantità di radiazione assorbita, riflessa e, in alcuni casi, trasmessa dal campione fornisce informazioni sulla strurrura geometrica ed elettronica del campione.

SCHEMA TIPICO DI UN CENTRO DI LUCE DI SINCROTRONE

Linee di luce di sincrotrone sono tangenti all’ anello di accumulazione di elettroni. Ogni linea termina con una o più stazioni sperimentali. Presso le stazioni sperimentali si svolgono attività di ricerca in svariate discipline: chimica, fisica, biologia, geologia....


Schema di un acceleratore in cui sono indicate le sezioni in cui le cariche si muovono di moto accelerato. Da queste sezioni viene estratta luce di sincrotrone.


Luce di sincrotrone Illustrazioni riprodotte per gentile concessione del "Journal of Syncrotron Radiation" e "George Retseck, Doylestown PA, USA"