Синхротроны

Источники синхротронного излучения (СИ) и излучения лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) – это источники широкодиапазонного электромагнитного излучения высокой яркости, генерируемого высокоскоростными электронами, движущимися по четко определенным орбитам, ограничиваемым с помощью различных магнитных систем. ЛСЭ-источники, в частности, обладают исключительной яркостью и когерентностью ультракоротких световых импульсов с длинами волн от одного миллиметра до нескольких нанометров (как и рентгеновские лучи). Использование источников СИ и ЛСЭ привело ко многим замечательным научным открытиям. В настоящее время в мире эксплуатируется более 60 синхротронных и 20 ЛСЭ источников излучения, и еще некоторые находятся в стадии сооружения или планирования.

МАГАТЭ помогает государствам-членам повышать квалификацию персонала, работающего в сфере применения СИ. Оно организует технические совещания и семинары-практикумы, а также проводит специализированные курсы в рамках школ, где слушатели приобретают теоретические и практические знания в области этих технологий. В целях оказания государствам-членам содействия в получении доступа к установкам СИ Агентство заключило партнерское соглашение с итальянской компанией "Элеттра Синхротрон" из Триеста. На базе канала вывода рентгеновского флуоресцентного излучения на синхротроне этой фирмы была создана совместная исследовательская установка, предназначенная для изучения параметров пучка, необходимых для высокоточных измерений в спектроскопии и микроскопии. Этот канал вывода пучка полностью введен в эксплуатацию в начале 2015 года.

Широкое использование в науке и промышленности

Уникальные свойства СИ, включая повышенную яркость, широкий диапазон спектра и широкополосную перестраиваемость длины волны/энергии излучения, придают ему исключительные аналитические возможности для определения характеристик материалов. В сочетании с различными режимами взаимодействия фотонов с материей СИ может применяться в рамках целого ряда методов и методологий, в том числе для:

• химического анализа, например, содержания элементов, химического состава и координационных узлов поглощающих атомов, а также для определения молекулярных групп и структур;
• структурного анализа, с тем чтобы лучше понять изменения кристаллической структуры гетерогенных материалов под воздействием рентгеновской дифракции, малоуглового рентгеновского рассеяния и рентгеновской рефлектометрии;
• исследований электронных и магнитных свойств поверхностей, тонких пленок и скрытых интерфейсов с использованием ряда методов, каких, как мягкое рентгеновское излучение, рентгеновская фотоэлектронная эмиссионная микроскопия, фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением, низкоэнергетическая электронная микроскопия и рентгеновский магнитный круговой дихроизм; и
• определения морфологических характеристик, т.е. визуализации в двух или трех измерениях очень мелких деталей сложных структур с помощью микро-томографии и фазоконтрастной компьютерной томографии.

Эти свойства позволяют применять синхротронное излучение в широком диапазоне научных дисциплин: материаловедении; в энергетических исследованиях; кристаллографии белка; экологии; химии; в области естественных или биологических наук; микроэлектронике; в геологических науках, включая исследования внеземной материи; и в анализах окружающей среды. Оно также широко используется в различных отраслях промышленности – от фармакологии и биотехнологии до производства автомобилей, полупроводников и косметики. В последнее время к этому списку добавились исследования в области накопления и преобразования энергии в виде микро- и наноразмерных гетерогенных материалов, таких, как аккумуляторные батареи, топливные элементы, фотоэлектрические устройства и органические полупроводники.

Источники на базе лазеров на свободных электронах используются для изучения свойств материи в конденсированном состоянии; наноматериалов; молекулярных и атомных процессов; и биологических систем. В частности, фемтосекундные рентгеновские импульсы, генерируемые на ЛСЭ, используются для проведения экспериментов по однократной синхронизации, которые могут открыть новые необычные возможности для исследований сверхбыстрых и высокочувствительных молекулярных и атомных динамических процессов.

С перечнем существующих в мире источников синхротронного излучения можно ознакомиться на сайте МАГАТЭ Портал знаний об ускорителях.