싱크로트론 광원

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싱크로트론 광원은 보통 저장 링에 의해 생성되는 전자기 복사(EM)의 원천으로,^[1] 과학적이고 기술적인 목적을 위해 사용된다. 싱크로트론에서 처음 관측된 싱크로트론 빛은 저장 링과 기타 특수 입자 가속기에 의해 생성되며, 일반적으로 전자가 가속된다. 고에너지 전자빔이 생성되면 저장고리와 자유형 전자레이저에 벤딩 자석, 삽입장치(단말기 또는 위글러) 등 보조부품으로 유도된다. 이것들은 높은 에너지 전자를 광자로 변환하는데 필요한 빔에 수직인 강한 자기장을 공급한다.

싱크로트론 빛의 주요 적용 분야는 응축물리학, 재료과학, 생물학, 의학이다. 싱크로트론 빛을 이용한 많은 실험은 나노미터 이하의 전자 구조 수준에서 의료 영상 촬영에 중요한 마이크로미터와 밀리미터 수준까지 물질의 구조를 조사하는 것을 포함한다. 실제 산업 적용의 한 예는 LIGA 공정에 의한 마이크로 구조물의 제조다.

명석함

X선 선원을 비교할 때 선원의 품질을 측정하는 중요한 척도를 광택이라고 한다.^[2] 명석함이 다음을 고려한다.

1. 초당 생성된 광자 수
2. 광자의 각도 차이 또는 빔이 얼마나 빨리 퍼지는지
3. 빔의 단면 영역
4. 중심 파장 또는 주파수의 0.1% 대역폭(BW) 내에 있는 광자

결과 공식은 다음과 같다.

${\displaystyle {\text{brilliance}={\frac {\text{photons}{{\text{mrad}^{2}\cdot{{{mm}}}}}}\cdot 0.1\%~{\text{\text{B}}}W}}}$

광택이 클수록 주어진 파장과 방향의 광자가 시간의 단위당 한 지점에 집중된다.

밝기, 강도 및 기타 용어

이 절은 출처를 인용하지 않는다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션을 개선할 수 있도록 도와주십시오. 공급되지 않은 재료는 도전하여 제거할 수 있다. (2021년 1월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기 알아보기)

과학의 다른 영역은 종종 용어를 정의하는 다른 방법을 가지고 있다. X선 빔 영역에서는 여러 용어가 명석함과 정확히 같은 것을 의미한다.

일부 저자는 밝기라는 용어를 사용하는데, 이는 한때 광도 휘도를 의미하거나 방사광도(방사선 광도)를 의미하기 위해 (잘못) 사용되기도 했다.

강도는 면적의 단위당 전력 밀도를 의미하지만, X선 선원의 경우 대개 명석함을 의미한다.

주어진 단위를 보면 정확한 의미를 알 수 있다. 명석함은 광자의 집중에 관한 것이지 힘이 아니다. 단위는 위 절에 열거된 네 가지 요소를 모두 고려해야 한다.

이 글의 나머지 부분은 같은 것을 의미하기 위해 탁월함과 강렬함이라는 용어를 사용한다.

소스의 속성

이 절은 출처를 인용하지 않는다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션을 개선할 수 있도록 도와주십시오. 공급되지 않은 재료는 도전하여 제거할 수 있다. (2021년 1월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기 알아보기)

특히 인공적으로 생산되는 싱크로트론 방사선은 다음과 같은 이유로 눈에 띈다.

• 높은 명석함, 기존 X선 튜브에서 생성된 X선보다 더 큰 크기의 많은 순서: 3세대 선원은 일반적으로¹⁸ 10개의 광자/s⁻¹/mm⁻²/mrad⁻²/0.1%BW보다 큰 명석함을 가지고 있으며, 여기서 0.1%BW는 주파수 w를 중심으로 한 10w의⁻³ 대역폭을 의미한다.
• 높은 수준의 양극화(선형, 타원형 또는 원형)
• 높은 콜리메이션, 즉 빔의 작은 각도 분산
• 낮은 에미턴스, 즉 선원 단면 및 고체 방출 각도의 산물이 작음
• 단색화에 의한 에너지/파장의 넓은 튜닝성(Meggelltronvolt 범위까지 하위 전자볼트)
• 펄스 광 방출(1나노초 또는 10억분의 1초 미만의 펄스 지속 시간).

가속기의 싱크로트론 방사선

싱크로트론 방사선은 가속기에서 성가신 존재로서 입자물리학 맥락에서 원하지 않는 에너지 손실을 유발하거나 수많은 실험실 용도에 대해 의도적으로 생성된 방사선원으로 발생할 수 있다. 전자는 여러 단계에서 고속으로 가속되어 일반적으로 기가렉트론볼트 범위에 있는 최종 에너지를 얻는다. 전자는 강한 자기장에 의해 폐쇄된 길을 이동하도록 강요된다. 이는 무선 안테나와 유사하지만$,$ 상대적 속도가 도플러 효과로 인해 관측된 주파수를 변화시킨다는 차이와 함께, 상대적 로렌츠 수축은 주파수를 bumps의 또 다른 인자에 의해 충돌하여 주파수를 $\gamma {\displaystyle }$ ${\displaysty$$$$\gamma}$로 곱한다$.$ 전자를 X선 범위로 가속시키는 공명 공동 상대성이론의 또 다른 극적인 효과는 비상대성이론에서 예상되는 등방성 쌍극자 패턴에서 방사선의 극히 전방으로 향하는 원뿔 모양으로 방사선 패턴이 왜곡된다는 것이다. 이것은 싱크로트론 방사선원을 가장 잘 알려진 X선원으로 만든다. 평면 가속 지오메트리는 궤도면에서 관측될 때 방사선을 선형 편극화시키고, 그 평면과 작은 각도에서 관측될 때 원형으로 편극화시킨다.^{[citation needed]}

분광과 회절에 싱크로트론 방사선을 사용하는 이점은 1960년대와 1970년대부터 계속 성장하는 과학계에 의해 실현되었다. 초기에는 입자물리학용으로 가속기가 제작되었고, 빔 파이프에 여분의 구멍을 뚫어 벤딩 자석 방사선을 추출해야 할 때 싱크로트론 방사선이 "기생 모드"로 사용되었다. 싱크로트론 광원으로 의뢰된 최초의 저장고리는 1968년 처음 가동된 싱크로트론 방사선 센터의 탄탈루스였다.^[3] 가속기 싱크로트론 방사선이 강렬해지고 응용이 유망해짐에 따라 싱크로트론 방사선 강도를 높인 장치가 기존 링에 내장됐다. 3세대 싱크로트론 방사선원을 구상하고 처음부터 최적화해 눈부신 X선을 생산했다. 매우 까다로운 실험과 아직 구상되지 않은 실험을 위해 초음파, 펄스 시간 구조화된 X선을 생산하기 위한 다양한 개념을 포함할 4세대 선원이 고려되고 있다.^{[citation needed]}

가속기에 구부러진 전자석들은 처음에 이 방사선을 생성하기 위해 사용되었지만, 더 강한 방사선을 생성하기 위해 다른 특수 장치인 삽입 장치가 사용되기도 한다. 전류(3세대) 싱크로트론 방사선원은 일반적으로 이러한 삽입장치에 의존하며, 저장 링의 직선 부분에는 전자를 정현상 또는 나선상 경로로 강제하는 주기적 자기 구조(N극과 S극의 패턴으로 많은 자석 혼합 - 위 도표 참조)가 통합된다. 따라서 한 번의 커브 대신 정밀하게 계산된 위치에서 수십 또는 수백 개의 "위글"이 빔의 총 강도를 더하거나 곱한다.^{[citation needed]}

이 장치들은 위글러 또는 불연속기라고 불린다. 언더레이터와 위글러의 주요 차이점은 자기장의 강도와 전자의 직선 경로로부터의 편차의 진폭이다.^{[citation needed]}

저장 링에는 방사선을 방출하고 빔 라인을 따라 실험자의 진공 챔버로 들어갈 수 있는 구멍이 있다. 많은 수의 그러한 빔 라인이 현대의 3세대 싱크로트론 방사선원에서 나올 수 있다.^{[citation needed]}

저장 링

전자는 적절한 가속기에서 추출될 수 있고 그들이 많은 횟수를 순환할 수 있는 초고진공 보조 자기 저장 링에 저장될 수 있다. 링에 있는 자석은 또한 전자 뭉치를 방해하는 쿨롱(우주 전하)의 힘에 대항하여 빔을 반복적으로 재압축할 필요가 있다. 방향의 변화는 가속의 한 형태여서 전자는 GeV 에너지로 방사선을 방출한다.^{[citation needed]}

싱크로트론 방사선의 응용

• 자기장에서 높은 에너지로 순환하는 전자빔의 싱크로트론 방사선은 빔 내 전자의 복사 자기 극화를 유도한다(소콜로프-테르노프 효과).^[4] 이 효과는 다양한 실험에 사용할 고도로 편광된 전자 빔을 생산하는데 사용된다.^{[citation needed]}
• 싱크로트론 방사선은 방사선 감쇠와 양자 흥분 효과를 통해 전자 저장 링에서 빔 크기(빔 에밋턴스로 결정)를 설정한다.^[5]

보선

싱크로트론 시설에서 전자는 보통 싱크로트론에 의해 가속된 다음 저장 링에 주입되어 순환하며 싱크로트론 방사선을 생성하지만 더 이상의 에너지를 얻지 못한다. 방사선은 전자 저장 링의 접선에 투사되어 빔라인에 의해 포착된다. 이러한 빔 라인은 저장 링의 모서리를 표시하는 벤딩 자석 또는 저장 링의 직선 섹션에 위치한 삽입 장치에서 발생할 수 있다. X선의 스펙트럼과 에너지는 두 종류에 따라 다르다. 빔 라인은 광선의 대역폭, 광자 플럭스, 빔 치수, 초점 및 시준을 제어하는 X선 광학 장치를 포함한다. 광학 기기에는 슬릿, 감쇠기, 결정 단색기, 거울 등이 포함된다. 거울은 빔의 초점을 맞추기 위해 곡선 또는 환상면 모양으로 구부릴 수 있다. 작은 지역에서 높은 광자 유속이 빔 라인의 가장 일반적인 요건이다. 빔 라인의 설계는 애플리케이션에 따라 달라질 것이다. 빔 라인의 끝에는 실험용 엔드 스테이션이 있는데, 여기서 샘플은 방사선 선에 배치되고, 검출기는 결과 회절, 산란 또는 이차 방사선을 측정하기 위해 배치된다.

실험 기법 및 사용법

싱크로트론 빛은 재료 과학, 물리학, 화학 분야의 많은 유형의 연구에 이상적인 도구로 학술, 산업, 정부 연구소의 연구자들이 사용한다. 몇몇 방법들은 특정한 종류의 실험을 위해 설계된 빔라인에서 싱크로트론 방사선의 높은 강도, 조정 가능한 파장, 콜리메이션 및 양극화를 이용한다. 싱크로트론 X선의 높은 강도와 침투력을 통해 특정 환경을 위해 설계된 샘플 셀 안에서 실험을 수행할 수 있다. 표본은 가열, 냉각 또는 가스, 액체 또는 고압 환경에 노출될 수 있다. 이러한 환경을 사용하는 실험은 현장에서 호출되며, 대부분의 다른 특성화 도구가 접근할 수 없는 원자에서 나노 규모의 현상의 특성화를 허용한다. 피연산도 측정은 가능한 한 재료의 실제 작업 조건을 모방하도록 설계된다.^[6]

회절 및 산란

X선 회절(XRD)과 산란 실험은 결정체와 비정형 물질의 구조 해석을 위해 싱크로트론에서 수행된다. 이러한 측정은 분말, 단일 결정 또는 박막에서 수행될 수 있다. 싱크로트론 빔의 높은 분해능과 강도는 희석 단계로부터의 산란 측정이나 잔류 응력 분석을 가능하게 한다. 재료는 다이아몬드 앤빌 세포를 사용하여 고압에서 연구하여 극한의 지질 환경을 시뮬레이션하거나 이국적인 형태의 물질을 만들 수 있다.^{[citation needed]}

단백질과 다른 고분자의 X선 결정학은 일상적으로 수행된다. 싱크로트론에 기초한 결정학적 실험은 리보솜의 구조를 해결하는 데 필수적이었다.^[7][8] 이 작품은 2009년 노벨 화학상을 받았다.

나노입자의 크기와 모양은 소각 X선 산란(SAXS)을 이용한 것이 특징이다. 표면의 나노 크기 형상은 방목-침입 소각 X선 산란(GISAXS)과 유사한 기법으로 측정한다.^[9] 이 방법 및 기타 방법에서 결정 표면을 입사 광선에 상대적인 작은 각도로 배치하여 표면 민감도를 달성함으로써 전체 외부 반사를 달성하고 소재에 대한 X선 침투가 최소화된다.^{[citation needed]}

표면, 인터페이스, 박막의 원자-나노 스케일 세부사항은 X선 반사율(XRR) 및 결정 절단 로드(CTR) 분석과 같은 기법을 사용하여 특성화할 수 있다.^[10] X선 스탠딩파(XSW) 측정은 또한 표면 또는 가까운 표면에서 원자의 위치를 측정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 측정은 역동적인 회절 현상을 해결할 수 있는 고해상도 광학 장치를 필요로 한다.^[11]

국소장애가 있는 결정체는 물론 액체와 용해 등 비정형 물질도 X선 쌍분포함수 분석을 통해 검사할 수 있어 고에너지 X선 산란 데이터가 필요하다.^[12]

특정 관심 요소의 흡수 에지를 통해 빔 에너지를 조정함으로써, 해당 원소의 원자로부터의 산란이 수정될 것이다. 이러한 공진 변칙적인 X선 산란 방법은 표본의 특정 원소로부터의 산란 기여를 해결하는 데 도움이 될 수 있다.^{[citation needed]}

다른 산란 기법으로는 에너지 분산형 X선 회절, 공명형 비탄성 X선 산란, 자기 산란 등이 있다.^{[citation needed]}

분광학

X-선 흡수 분광학(XAS)은 물질과 분자 내 원자의 조정 구조를 연구하는 데 사용된다. 싱크로트론 빔 에너지는 관심 요소의 흡수 에지를 통해 조정되며, 흡수 내 변조를 측정한다. 광전자 전환은 흡수 에지 근처에서 변조를 일으키며, 이러한 변조의 분석(X선 흡수 근 에지 구조(XANES) 또는 근 에지 X선 흡수 미세 구조(NEXAFS))는 해당 원소의 화학적 상태와 국소 대칭에 대한 정보를 보여준다. 흡수 에지보다 훨씬 높은 입사 빔 에너지에서 광전자 산란은 확장 X선 흡수 미세 구조(EXAFS)라고 불리는 "링" 변조를 유발한다. EXAFS 체제의 푸리에 변환은 흡수 원자의 결합 길이와 숫자를 산출한다. 따라서 불순물과 같은 희박한 종뿐만 아니라 액체 및 비정형 물질도^[13] 연구하는데 유용하다. 이와 관련된 기술인 X선 자기 원형 이분법(XMCD)은 원소의 자기 성질을 측정하기 위해 원형 편광 X선을 사용한다.^{[citation needed]}

X선 광전자 분광기(XPS)는 광전자 분석기가 장착된 빔라인에서 수행할 수 있다. 기존의 XPS는 일반적으로 진공 상태의 물질의 상위 몇 나노미터에 대한 탐사로 제한된다. 그러나 높은 강도의 싱크로트론 빛은 가스의 주변 압력에서 표면의 XPS 측정을 가능하게 한다. 주변 압력 XPS(AP-XPS)를 사용하여 시뮬레이션된 촉매 또는 액체 조건에서 화학적 현상을 측정할 수 있다.^[14] 고에너지 광자를 사용하면 실험용 XPS 기기에서 생성된 광자보다 훨씬 긴 비탄성 평균 자유 경로를 갖는 높은 운동 에너지 광전자를 산출한다. 따라서 싱크로트론 XPS의 프로빙 깊이를 수 나노미터까지 늘릴 수 있어 매립 인터페이스 연구가 가능하다. 이 방법을 고에너지 X선 광분해 분광법(HAXPES)이라고 한다.^[15]

재료 구성은 X선 형광(XRF)을 사용하여 정량적으로 분석할 수 있다. XRF 검출은 XAS, XSW와 같은 여러 다른 기법에서도 사용되며, XRF 검출은 특정 원소의 흡수 변화를 측정할 필요가 있다.^{[citation needed]}

그 밖의 분광기법으로는 각이 분해된 광분해 분광기(ARPES), 소프트 X선 방출 분광기, 뫼스바우어 분광기와 관련된 핵공명 진동 분광기 등이 있다.^{[citation needed]}

이미징

싱크로트론 X선은 기존의 X선 영상촬영, 위상대비 X선 영상촬영, 단층촬영 등에 사용할 수 있다. X선의 å스트룀 스케일 파장은 가시광선의 회절 한계치보다 훨씬 낮은 영상을 촬영할 수 있지만, 실제로 지금까지 달성한 해상도는 약 30nm이다.^[16] 이러한 나노가운 선원은 전송 X선 현미경(STXM) 스캐닝에 사용된다. 이미징은 샘플의 화학적 성분이나 산화 상태를 미크론 이하의 분해능으로 매핑하기 위해 X선 형광 투시법이나 X선 흡수 분광법 같은 분광법과 결합할 수 있다.^[17]

다른 영상 기법에는 일관성 있는 회절 영상 촬영이 포함된다.^{[citation needed]}

MEMS 구조에 대한 광석학에도 유사한 광학 장치를 사용할 수 있으며, LIGA 과정의 일부로 싱크로트론 빔을 사용할 수 있다.^{[citation needed]}

소형 싱크로트론 광원

조정 가능한 시준 일관성 있는 X선 방사선의 유용성 때문에 싱크로트론에 의해 생성되는 빛의 더 작은 경제적 원천을 만들기 위한 노력이 이루어져 왔다. 그 목적은 비용 및 편의상의 이유로 연구실 내에서 그러한 출처를 이용할 수 있게 하는 것이다. 현재, 연구자들은 실험을 수행하기 위해 시설을 방문해야 한다. 콤팩트 광원을 만드는 한 가지 방법은 수십 개의 메그레트론볼트의 비교적 낮은 에너지에서 저장된 전자로부터 근사치 레이저 광자를 산란하는 콤프턴의 에너지 이동을 사용하는 것이다(예: 콤팩트 광원(CLS) 참조).^[18] 그러나 비교적 낮은 충돌 단면을 이런 방법으로 얻을 수 있으며 레이저의 반복률은 정상적인 저장 링 방출에서 자연적으로 발생하는 메가헤르츠 반복률보다 몇 헤르츠로 제한된다. 또 다른 방법은 플라즈마 가속을 사용하여 정지 상태에서 자기소자 내의 UV나 X선 방출에 필요한 에너지로 전자를 가속하는 데 필요한 거리를 줄이는 것이다.^{[citation needed]}

참고 항목

• 싱크로트론 방사선 설비 목록
• 광원 목록

참조

외부 링크

• Eletra Sincrotrone Trieste - Eletra 및 FERMI 광원
• 고대 곤충들을 싱크로트론 광원으로 영상화 - BBC
• IOP에서 싱크로트론 조명