Źródła światła, będące formą akceleratora cząstek, wytwarzają potężne wiązki promieni rentgenowskich i innych widm, umożliwiając naukowcom wgląd w mikroskopijną strukturę materiałów bez ich fizycznej zmiany.
Maszyny te różnią się od innych akceleratorów tym, że wykorzystują oscylujące pola magnetyczne do bezpośredniego generowania światła. Odgrywają kluczową rolę w różnych dziedzinach nauki, od badania struktur atomowych za pomocą twardego promieniowania rentgenowskiego po badanie struktur elektronicznych za pomocą terahercowy fale.
Źródła światła to rodzaj akceleratorów cząstek wytwarzających potężne wiązki promieni rentgenowskich, ultrafioletu lub światła podczerwonego. Promienie te przypominają sposób, w jaki trzymanie koperty pod jasnym światłem może ujawnić coś na temat zawartości koperty. Jednak dzięki zastosowaniu specjalnych rodzajów światła o znacznie większej mocy niż aparat rentgenowski w gabinecie lekarskim, źródła światła pomagają naukowcom zajrzeć do wnętrza materii. To jak zajrzeć do wnętrza koperty bez jej otwierania. Daje to naukowcom możliwość ujawnienia, jak materiały zachowują się pod mikroskopem nanoskala rozmiarach, a także przy ultraszybkich prędkościach.
Funkcjonalność i mechanika źródeł światła
Akceleratory cząstek przeznaczone do wytwarzania światła działają nieco inaczej niż maszyny fizyki wysokich energii używane do badania tajemnic cząstek elementarnych. Zamiast zderzać cząstki, aby zobaczyć, co wyjdzie, źródła światła wykorzystują wiązkę cząstek do bezpośredniego emitowania światła. Przepuszczając go przez urządzenie zwane undulatorem, które wytwarza zmienne pole magnetyczne, ścieżka wiązki ulega serii małych oscylacji. Za każdym razem, gdy ścieżka jest zakrzywiona, cząstki emitują fotony.
Takich oscylacji w undulatorze mogą występować dziesiątki, a fotony emitowane przez każde z nich składają się na bardzo intensywną wiązkę, około miliard razy jaśniejszą niż typowy medyczny aparat rentgenowski. Każde źródło światła może pomieścić wiele undulatorów i może służyć do dziesiątek różnych eksperymentów jednocześnie.
Widmo i zastosowania światła
Źródła światła działają w określonych zakresach widma elektromagnetycznego. Widmo to obejmuje wszystkie rodzaje energii elektrycznej i magnetycznej we wszechświecie. Dzielimy je ze względu na wielkość fal, po których się poruszają. Światło widzialne, które widzimy, stanowi niewielką część tego widma. Promieniowanie rentgenowskie, ultrafiolet i światło podczerwone to kolejne części tego widma, każda z własnym zakresem długości fal.
Różne długości fal światła są przydatne do różnych celów. Narodowe Laboratorium Argonne zauważa, że ogólnie rzecz biorąc, długości fal krótsze niż światło widzialne, takie jak krótki koniec promieni rentgenowskich, mogą zajrzeć do struktury atomowej. Oznacza to, że promienie rentgenowskie mogą zidentyfikować pierwiastki w próbce materiału. Promienie rentgenowskie o najkrótszej długości fali (czasami nazywane „twardymi promieniami rentgenowskimi”) idealnie nadają się do określania pozycji atomów w krysztale lub cząsteczce. Promienie rentgenowskie o dłuższej długości fali (czasami nazywane „miękkimi promieniami rentgenowskimi”) i światło ultrafioletowe to dobry wybór do badania reakcji chemicznych. Światło podczerwone jest przydatne do badania wibracji atomów w cząsteczkach i ciałach stałych. Najdłuższe światło podczerwone, zwane falami terahercowymi, jest przydatne do badania niektórych typów struktur elektronicznych — sposobu rozmieszczenia elektronów i ich energii wokół jądra atomowego.
Nauka i wpływ źródeł światła
Źródła światła mają wpływ na niemal wszystkie dziedziny nauki. Pozwalają naukowcom odkrywać nowe materiały na baterie, panele słoneczne, mikroelektronikę, a także materiały kwantowe. Mogą przyjrzeć się procesom zachodzącym podczas formowania się materiału lub jego degradacji podczas użytkowania, aby dowiedzieć się, jak wytwarzać lepsze materiały. Są w stanie zajrzeć do działających urządzeń, nawet w nanoskali, i uzyskać informacje, których nie można uzyskać w inny sposób. Potrafią obrazować komórki i inne układy biologiczne, nawet w 3D, ujawniając podstawowe procesy życiowe. Potrafią nawet określić strukturę bardzo skomplikowanych cząsteczek, takich jak białka. Doprowadziło to do opracowania nowych szczepionek i metod leczenia śmiertelnych chorób, w tym m.in COVID 19.
Szybkie fakty
- Według nich na świecie działa lub jest w budowie ponad 50 źródeł światła źródła światła.org.
- Jednym z kluczowych postępów w dziedzinie źródeł światła jest laser rentgenowski na swobodnych elektronach, taki jak ten w źródle światła koherentnego Linac. Są one podobne do laserów, ale wykorzystują wiązki elektronów poruszające się z prędkością bliską prędkości światła, tworząc wyjątkowo mocne i przestrajalne źródło światła.
Biuro Naukowe DOE: Wkład w źródła światła
Departament Energii Biuro Naukowe, Podstawowe nauki o energii program obsługuje pięć najpotężniejszych źródeł światła na świecie. Te pięć źródeł światła to obiekty użytkownika – obiekty otwarte dla badaczy z całego świata. Badaniami i rozwojem, planowaniem, budową i eksploatacją tych obiektów zarządza Dział Naukowych Obiektów Użytkowników programu Basic Energy Sciences. Pięć udogodnień dla użytkownika źródeł światła obejmuje:
- The Zaawansowane źródło światła (ALS) w Lawrence Berkely National Laboratory to jedno z najjaśniejszych na świecie źródeł wysokiej jakości, niezawodnego próżniowego światła ultrafioletowego i miękkiego promieniowania rentgenowskiego, umożliwiające szeroką gamę dyscyplin naukowych.
- The Zaawansowane źródło fotonów (APS) w Argonne National Laboratory jest jednym z zaledwie czterech na świecie źródeł światła synchrotronowego promieniowania twardego rentgenowskiego trzeciej generacji, które przyniosły nowe odkrycia w wielu dziedzinach nauki.
- The Narodowe synchrotronowe źródło światła II (NSLS-II) w Brookhaven National Laboratory znajduje się najnowocześniejsze synchrotronowe źródło światła, które pozwala naukowcom badać podstawowe właściwości materii, torując drogę nowym odkryciom naukowym i innowacjom.
- The Źródło światła spójnego Linac (LCLS) w Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC znajduje się pierwszy na świecie laser na swobodnych elektronach z twardym promieniowaniem rentgenowskim, zdolny do wytwarzania promieni rentgenowskich zarówno bardzo intensywnych, jak i zbitych w ultraszybkie impulsy.
- The Źródło światła promieniowania synchrotronowego Stanforda (SSRL) w Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC wytwarza intensywne promienie rentgenowskie jako źródło informacji dla badaczy do badania naszego świata na poziomie atomowym i molekularnym, umożliwiając badania i postęp w produkcji energii, rekultywacji środowiska, nanotechnologii, nowych materiałach i medycynie.
