Hiểu vật lý trong 60 giây - Bài 15 . Nguồn ánh sáng
Lời nói đầu .
Tạp chí Symmetry trình bày rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong Vật lý hiện đại với những ý tưởng , bài viết , công trình lý thuyết lẫn thực nghiệm của tập thể các nhà khoa học hàng đầu hiện nay trên thế giới . Chuyên mục " Hiểu biết Vật lý trong 60 giây " tổng hợp một số bài viết ngắn gọn , súc tích và đầy tính đột phá trong việc giải thích các cơ chế vật lý nhằm giúp người đọc dễ dàng tiếp cận những thông tin mới mẻ . Tác giả của những bài viết này hiện đang công tác tại các Trung tâm nghiên cứu , Viện Khoa học và các trường Đại học danh tiếng nên nguồn thông tin luôn được cập nhật thường xuyên .
Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .
Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 05/05/2014.
-------------------------------------------------------------------------------------------
Nguồn ánh sáng
Minh họa: Sandbox Studio
Nguồn ánh sáng là những cỗ máy ánh sáng dựa trên gia tốc sử dụng trong nghiên cứu các lĩnh vực từ vật lý và hóa học đến y học và pháp y.
Nguồn ánh sáng là những cỗ máy dựa trên gia tốc sản xuất ra những chùm ánh sáng có cường độ đặc biệt mãnh liệt và tập trung , trong phạm vi năng lượng từ tia hồng ngoại đến tia X . Chúng được sử dụng rất nhiều cho công tác nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực như vật lý, hóa học, và khoa học vật liệu , sinh học, y học và pháp y.
Cũng giống như các kính "siêu hiển vi", nguồn ánh sáng giúp giải quyết việc quan sát các cấu trúc của vật chất xuống đến cấp độ của các nguyên tử và phân tử. Ngày nay, hơn 50 cơ sở nguồn ánh sáng trên thế giới phục vụ cho việc nghiên cứu của một số nhà khoa học ngày càng đông đảo.
Cũng như ánh sáng từ laser là tập trung và mạnh hơn gấp nhiều lần so với ánh sáng được tạo ra bởi một đèn pin, một chùm tia X- được sản xuất bởi một nguồn sáng thì hẹp và sáng hơn một nghìn tỷ lần so với chùm tia được sản xuất bởi một máy X-quang ở bệnh viện .
Hầu hết các nguồn ánh sáng là các máy đồng bộ synchrotron : các máy gia tốc có kích thước bằng một sân bóng đá hoặc lớn hơn sẽ đẩy các electron chuyển động xung quanh theo một vòng lặp. Thành phần gia tốc từ gọi là máy khuấy (wigglers) và máy tạo sóng (undulators) làm cho các electron nhanh chóng dao động qua lại .
Các chuyển động này làm cho các electron tỏa ra photon ánh sáng, chúng đi qua đường dẫn chùm chuyên biệt đến trạm thí nghiệm. Một máy đồng bộ (synchrotron) có thể có hàng chục đường dẫn chùm như vậy , mỗi trong số các đường dẫn đó cung cấp ánh sáng có những tần số khác nhau tương ứng cho nhiều loại thí nghiệm.
Cấu tạo của máy synchrotron
Máy đồng bộ synchrotron hoạt động theo một nguyên tắc cơ bản của vật lý, là khi một hạt mang điện tích được gia tốc chúng sẽ tỏa ra bức xạ điện từ. Một ví dụ thường ngày của hiệu ứng này là các đài phát thanh-truyền trong đó các hạt được gia tốc là các electron trong các cột phát sóng ; ở đây gia tốc là các bức xạ được sản xuất trong khoảng tần số vô tuyến. Đa số những máy synchrotron phổ biến nhất cũng sử dụng các electron mặc dù với tốc độ và gia tốc mà chúng tạo ra bức xạ điện từ như vậy có thể là không chỉ nằm trong phạm vi tần số vô tuyến mà còn trong các phần tia hồng ngoại, khả kiến, tia cực tím và tia X của phổ điện từ . Tuy nhiên để hiểu rõ hoạt động của máy synchrotron chúng ta cần phải thảo luận về cấu tạo "khối xây dựng" của synchrotron, được gọi là nam châm lưỡng cực , là cái tạo ra một từ trường dọc, H , trong khoảng giữa hai cực của nó (xem hình bên dưới).
Thứ nhất , từ nguyên lý cơ bản khi một electron, đi theo một hướng v (chiều ngang trong sơ đồ trên), sẽ cắt một từ trường H theo phương vuông góc với v ( H là chiều dọc trong sơ đồ trên) sau đó nó sẽ nhận được một lực F (gọi là lực Lorentz) ở hướng vuông góc với cả v và H ( lực F "hướng vào phía trong " như trong trường hợp trên). Vì các electron đang chuyển động với vận tốc v , lực F sẽ tạo ra một gia tốc hướng tâm làm cho các electron chuyển động theo một quỹ đạo tròn.
Tính năng quan trọng thứ hai là vì các electron được gia tốc bên trong nam châm lưỡng cực nó sẽ phát ra bức xạ điện từ . Bằng cách kết nối một loạt các nam châm lưỡng cực như vậy quanh một vòng tròn có bán kính thích hợp, chúng ta có thể làm cho một electron di chuyển xung quanh một vòng khép kín (xem bên dưới) gồm những đoạn cong (trong nam châm lưỡng cực) và thẳng (giữa các nam châm lưỡng cực ) .
Để hiểu sự hoạt động của một máy đồng bộ synchrotron đơn giản, thường được gọi đúng hơn là một vòng lưu trữ , có thể điểm qua những nét chính sau mặc dù còn cần phải xem xét nhiều khía cạnh và các thành phần khác.
Đầu tiên chúng ta cần một nguồn năng lượng của electron để đưa vào vòng và điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một máy gia tốc tuyến tính ( linac ) trong đó sản xuất ra các điện tử ở mức năng lượng có thể từ hàng trăm MeV ($10^6$ eV) cho đến vài GeV ($10^9$ eV).
Đối với một số máy synchrotron chuyên biệt người ta còn lắp đặt thêm một máy "khuyếch đại synchrotron", bố trí ở giữa linac và synchrotron chính, được sử dụng tạm thời trong thời gian "bắt đầu" (gọi tắt là máy phun - injection ) chỉ để lấp một số khoảng cách năng lượng giữa các năng lượng đầu ra-MeV của linac và đầu vào-GeV thỏa yêu cầu của vòng synchrotron chính. Tuy nhiên một khía cạnh quan trọng của máy phun , là các electron được phun vào theo những xung rời rạc để các electron tồn tại bên trong các vòng lưu trữ thành những chùm , thường là một hoặc hai trăm chùm phân bố trên toàn bộ vòng.
Đây là điều cần thiết cho việc hoạt động có hiệu quả của một thành phần khác của synchrotron, máy phát tần số vô tuyến điện (khoang) , trong đó có thể được lắp một vài khoang xung quanh vòng lưu trữ. Mục đích của thiết bị này là để duy trì năng lượng một cách đồng bộ (do đó tên synchrotron ) cho chùm electron di chuyển trong vòng để bù đắp cho tổn thất năng lượng của chúng trong quá trình phát xạ.
Dòng hiện tại của chùm electron này từ từ phân rã theo thời gian do sự va chạm giữa các electron và các phân tử chứa trong vòng ; ngay cả với điều kiện chân không siêu cao (thường là $10 ^{-10}$ mbar) trong vòng lưu trữ, các chùm lưu trữ thường cần phải được tái sinh sau mỗi 24 giờ . Các đường màu nâu biểu thị quỹ đạo của bức xạ synchrotron phát ra như những chùm electron đi qua nam châm lưỡng cực; điều này tạo ra một hiệu ứng có tên gọi " bánh xe Catherine" .
Độ sáng chói là gì
Khi so sánh các nguồn tia X , một thước đo quan trọng về chất lượng của nguồn được gọi là độ sáng chói brilliance . Brilliance có liên quan đến :
-Số photon được tạo ra mỗi giây
-Sự phân kỳ góc của photon, hoặc tốc độ chùm khi lan truyền
-Diện tích mặt cắt ngang của chùm tia
-Các photon truyền qua một băng thông (BW) mức 0,1% của các bước sóng trung tâm hoặc tần số
Công thức thu được là:
$brilliance = \frac{số photon}{giây.mrad^2.mm^2.0.1%BW}$
Độ sáng chói brilliance càng rực rỡ, càng có nhiều các photon có thể được tập trung vào một chỗ.
Trong hầu hết các tài liệu viết về tia - X , các đơn vị biểu diễn cho độ sáng chói thường có dạng như sau :
số $photon / s / mm^2 / mrad^2 /0.1%BW$ .
Các tính chất của nguồn
Đặc biệt là khi sản xuất nhân tạo, bức xạ synchrotron có các tính chất đáng chú ý sau :
-Độ sáng chói cao, cường độ lớn hơn nhiều bậc so với X-quang được sản xuất trong các ống phóng tia -X thông thường: các nguồn thế hệ thứ 3 thường có một sáng lớn hơn $10^18 photons / s / mm^2 / mrad^2 /0.1%BW$ , trong đó 0,1% BW biểu thị một băng thông $10^{-3}$ w tập trung quanh các tần số w .
-Mức độ cao của sự phân cực (tuyến tính, hình elip hoặc hình tròn)
-Mức chuẩn trực cao, nghĩa là sự phân kỳ góc của chùm tia là nhỏ
-Sự phát tán thấp, tức là sản phẩm của mặt cắt nguồn và góc khối khí của phát thải là nhỏ
-Sự điều hướng rộng về năng lượng / bước sóng bằng cách đơn sắc hóa (thay thế electronvolt lên đến khoảng megaelectronvolt )
-Xung phát xạ ánh sáng (thời gian xung bằng hoặc thấp hơn một nano giây , hay một phần tỷ của một giây).
Thế hệ tiếp theo của các nguồn ánh sáng, cung cấp ánh sáng tựa laser ở mức năng lượng tia cực tím hoặc tia X . Những "laser electron tự do" tạo ra các xung ánh sáng ngắn cường độ cao mà các nhà thực nghiệm có thể ghi lại những đoạn phim có thời lượng ngắn mô tả các quá trình hóa học.
Theo www.lightsources.org
+++++++++++++++++++++++++++
Nguồn :
1. http://www.symmetrymagazine.org/article/april-2006/60-seconds
2. http://www.lightsources.org
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron_light_source
4. http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/inst2/work.htm
5. http://www.helmholtz-berlin.de/forschung/oe/fg/mi-synchrotron-radiation/synchrotron/photons/x-ray-pulses/free-electron-lasers/index_en.html
6. http://www.lightsource.ca/education/whatis.php
Trần hồng Cơ
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 28/01/2015 .
-------------------------------------------------------------------------------------------
Người có học biết mình ngu dốt. The learned man knows that he is ignorant.
Victor Hugo.
