Snímka 1

Prepis

1 VEDA V CENTRE Synchrotróny 4. generácie - okná do sveta nanosveta Doc. RNDr. Pavol Sovák, CSc.

2 Obsah: Úvod vznik rtg. žiarenia a definícia javu digrakcie, princíp elektrónového mikroskopu a difrakcie elektrónov, príklady pozorovaní. Konštrukcia synchrotónu a druhy synchrotrónov. X-ray Free Electron Laser Facility v Hamburgu priníp činnosti a aplikácie. Záver.

3 Röntgenové žiarenie 1895 W.Röntgen - X- ray 1912 difrakcia rtg. lúčov, recipročná mrieţka, prvý difraktometer, rozvoj difr. metód Rtg. difrakcia: informácia o štruktúre a symetrii mrieţky, fázová analýza Nie morfológia! 3

4 Prečo vznikol elektrónový mikroskop? Odhaliť morfológiu! Rozlišovacia schopnosť optického a elektrónového mikroskopu d SM n sin d TEM 0, 61 d SM ~ 0.5μm d TEM ~ 0.2 nm Hĺbka ostrosti D d TEM 2 h m e U U (kv) λ (10-10 m)

5 Zlepšenie rozlíšenia našich zmyslov - hnací motív poznania ľudstva 5

6 Interakcia elektrónového lúča so vzorkou 6

7 Konštrukcia Transmisného Mikroskopu TEM 7

8 Konštrukcia rastrovacieho mikroskopu REM 8

9 Ešte v r by nás nenapadlo, ţe uvidíme... 9

10 Difrakcia elektrónov 10

11 intenzita [brilliance] Difrakcia X-ray Fe68,5V5Cu1Nb3Si13,5B9 574 C Theta Teplota [ 0 C] Rtg difrakcia, či difrakcia elektrónov? Objem vs Selekcia 11

12 Synchrotrónové žiarenie cesta k zvýšeniu kvality lúča rtg. difraktometre 1970 častice urýchlené v kumulačných prstencoch pre fyziku vysokých energií zdroj omnoho intenzívnejšieho rtg. ţiarenia 1. Ohybový magnet vplyvom zakrivenia dráhy častice (e -,e + ) v mag. poli vyţiarí sa fotón 2. Wiggler: N párov magnetických dipólov (N=50) vznik oscilácií vyšší výkon 3. Undulátor: dostatočne malé oscilácie, potom intenzita I = N 2 4. Free Electron Laser FEL 12

13 13

14 Umiestnenie experimentálneho stanovišťa 14

15 XRD measurement Experimental station Petra 2 1 slits 2 monochromator tank with a crystal 3 infrared heater with a sample placed inside a capillary 4 goniometer 5 detector 6 counter of incoming beam intensity 15

16 absorption coefficient absorption edge Prečo synchrotrónové žiarenie? Extrémne vysoká intenzita Nízka emitancia Široké spojité spektrum Vysoký stupeň polarizácie XANES II III EXAFS IV I E 0 Energy 16

17 X-ray Free Electron Laser - XFEL 3.7 km lineárny urýchľovač elektrónov poskytne tvrdé X-ray ţiarenie - vlnová dĺţka ~ 0.1Å - intenzita rády vyššia ako produkujú undulátory - vysoký stupeň koherencie x frekvencia záblesku ~ 100 fs Intenzita FELradiation photons/pulse 100 fs pulse SR radiation 10 9 photons/ pulse 100 ps of pulse Čas t 17

18 X-ray Free Electron Laser Facility Hamburg 18

19 Ako XFEL pracuje (1/3) 1. Emisia elektrónov vo fotokatódovom dele Ultrafialovým laserom sa oţari Cs 2 Te terčík (katóda), z ktorej sa uvolnia elektróny. Účinnosť tohto procesu 5%. Voľné elektróny sa okamţite urýchlia v radiofrekvenčnej kavite (majúcej potenciálový gradient 40MV/m) na relativistické rýchlosti (120MeV). 2. Urýchlenie elektrónov Následné urýchľovanie elektrónov aţ na energiu 20GeV sa uskutoční v 2,1 km dlhom lineárnom urýchľovači. Urýchľovač pozostáva z radiofrekvenčných supravodivých kavít z čistého Nb (s gradientom 23,6MV/m), fokussčných magnetov, magnetov k presnej lokalizácií e - zväzku ako aj diagnostikých zariadení. Supravodivý stav Nb kavít sa bude udrţiavať pri 2 K, takţe celá sústava musí byť chladená kvapalným He. 19

20 Ako XFEL pracuje (2/3) 3. Produkcia fotónov z predurýchlených elektrónov Aby elektrón vyţiaril energiu vo forme fotónu, musí zmeniť dráhu z priamočiarej na zakrivenú. To sa deje v undulátore, ktorý pozostáva zo striedavo uloţených magnetických dipólov, z ktorých kaţdý vychyľuje elektrónový zväzok zo svojej osi. 4. SASE proces Ţiarenie emitované elektrónmi interaguje s elektrónmi v tom istom mraku tak, ţe tie elektróny, ktoré sú vo fáze so ţiarením sú brzdené, kým tie s opačnou fázou sú urýchlené. Týmto spôsobom dochádza k postupnému usporiadaniu elektrónov v objeme celého mraku, ktorý sa uţ následne správa koherentne a intenzita ţiarenia takéhoto objektu je o niekoľko rádov vyššia ako pôvodného (pred vstupom do undulátora). 20

21 Ako XFEL pracuje (3/3) 5. Meranie Koniec urýchľovača bude rozdelený na 5 e - fotónových vetiev z nich 3 SASE a 2 vybavené spontánnymi undulátormi. Tieto vetvy budú ústiť do experimentálnej haly vybavenej 10 experiment. stanovištiami. 6. Diagnostika, zber dát, spätná väzba Počas prevádzky XFEL-u je absolútne nevyhnutné diagnostikovať, vyhodnocovať a optimalizovať rozhodujúce parametre elektrónového a fotónového lúča. Ide predovšetkým o pozíciu, intenzitu, emitanciu, energetickú distribúciu oboch lúčov. Pre porovnanie: kontrolný systém u podstatne kratšieho FLASH-u pozostáva z 1100 dátových kanálov produkujúcich tok 100 MB/s. 21 Karel Saksl

22 m long pilot facility FLASH, which set a world record by producing the most brilliant fs pulses ever of extreme-ultravilete radiation with wavelengths down to 13.1 nm, t=10 fs 2007 upgrade, λ=6.5 nm The first model experiments strongly support that it will be possible to probe molecular interactions at the atomic level, when 3.7 km XFEL comes to operation in 2013 FLASH skúšobný prototyp XFEL 22

23 Niektoré unikátne výsledky získané z FLASH Zobrazovanie štruktúry biologických preparátov Jeden z kľúčových problémov ktorému čelí štrukturálna biológia: nemoţnosť určenia štruktúry biologických makromolekúl, ktoré nie sú vo vykryštalizovanom stave (HIV viruses, human membrane proteins..). Pri pouţití extrémne intenzívneho a koherentného fs ţiarenia (z XFEL) záznam atomárnej štruktúry non-crystalline samples pozostávajúcich len z niekoľkých a dokonca len z jedinej biomolekuly je možný! Zobrazenie koherentnou difrakciou - Na rozdiel od makromolekulárnej kryštalografie ( rozptyl z EB vytvára diskrétne Braggove body, expozícia na dlhú vzdialenosť neusporiadanej vzorky koherentným FEL pulzom vytvorí spojitý obraz maxím a miním, z nich je moţná rekonštrukcia štruktúry! 23

24 FEL pulz preniká cez vzorku. Zrkadlo odráţa len difraktované lúče nanoobjektu na CCD detektor, ktorý zanamenáva obraz koherentnej difrakcie. SW konvertuje tento difraktogram na skutočný tvar objektu: 2 small cowboys in the sun Koherentná difrakcia vzorky získaná jedným 25 fs FEL pulzom 24

25 Rekonštrukcia obrazu cowboys, nevykazuje ani náznak radiačného poškodenia pulzom Difraktogram z nasledujúceho pulzu ukazujúci, ţe prvý pulz zničil preparát po zázname 25

26 XFEL nádej pre vedu a výskum Koherentná difrakcia Atómová štruktúra jednej bio-molekuly Lysozym jedna molekula kryštál 26

27 t=0 Radiačné poškodenie biomolekuly Lyzosymu v závislosti od času Coulomb explosion of Lysozyme Coulomb explosion of lysozyme (50 fs) 50 fs 3x10 12 photons/100 nm spot 12 kev LCLS t=50 fsec t=100 fsec Radiation damage interferes with atomic scattering factors and atomic positions 28 ãfirmenam e (Referentennam e ) 27

28 RTG Holografia Magnetické domény 28

29 RTG spektroskopia Pomocou vysoko intenzívneho RTG záblesku boli atómy ţeleza ionizované do stavu Fe 23+. V tomto stave zotrvali 0,55 ns. Okrem významu pre astrofyziku, experiment potvrdil základné princípy kvantovej elektrodynamiky QED. Experimenty pump-and-probe Veľmi krátky <100 fs a intenzívny záblesk tvrdého RTG ţiarenia umoţní po prvý krát záznam extrémne rýchlych procesov s rozlíšením na atomárnej úrovni.experimenty typu pump-and-probe sú zaloţené na vyvolaní sledovanej reakcie jedným zábleskom a snímaním reakcie druhým. Tieto experimenty je moţné kombinovať so synchronizovaným optickým laserom ako aj inými spúšťačmi. Soft X-Ray Laser Spectroscopy on Trapped Highly Charged Ions at FLASH, PRL 98, (2007) 29

30 Oblasti, na ktoré bude mať XFEL rozhodujúci vplyv 30 Výskum atómov, iónov, molekúl a klastrov Fyzika plazmy Fyzika tuhých látok Materiálový výskum Chémia Štrukturálna biológia Optika a nelineárne procesy procesy násobnej ionizácie vytvorenie a spektroskopia excitovaných stavov (hollow atoms, Rydberg states, Laser states,...) Dynamika, a geometrické vlastnosti klastrov Produkcia rôznych druhov plazmy Diagnostika plazmy Ultrarýchle dynamické procesy Štruktúra elektrónového obalu Neusporiadané materiály Dynamické reakcie v tuhých materiáloch Štruktúra a dynamika nanomateriálov Redukcia tuhých látok a kvapalín Analytická chémia Heterogénna katalýza zobrazenie jednotlivých molekúl / častíc Dynamika biomolekúl Nelineárne efekty v atómoch a tuhých látkach High field science

31 Vidieť nové skutočnosti si vyžaduje robiť nové veci Experimenty na XFEL budú iného druhu ako experimenty v laboratóriách na synchrotronoch alebo na neutronových zdrojoch dneška. Budú vyţadovať budovanie kolaborácií, podobných experimentom v časticovej fyzike. Kaţdej podrobnej analýze a interpretácii nameraných dát bude predchádzať diagnostika a komplexné pochopenie všetkých parametrov urýchľovača, detektorov ako aj procesu zberu dát. Ďakujem za pozornosť 31