Лъчeва линия: път на частици, синхротронна светлина и експерименти

Във физиката на елементарните частиици лъчевата линия е пътят на частиците в ускорител на елементарни частици. Това включва не само видимата траектория, но и комплекс от магнитни и електрически елементи, вакуумни системи и диагностични прибори, които поддържат, фокусират, манипулират и измерват снопа частици от момента на генериране до точката на експеримента или детектора.

В областта на материалознанието, физиката, химията и молекулярната биология лъчевата линия води до експериментална крайна станция, в която се използват снопове частици от ускорител на частици, синхротронна светлина, получена от синхротрон, или неутрони от спалационен източник или изследователски реактор. Тук снопът се оформя с оптика и прибори, така че да отговаря на изискванията на конкретния метод и проба.

Какво представлява лъчевата линия

Лъчевата линия е интегрирана система от компоненти, която предава и формова енергията и информацията, носени от частици или фотони, до експерименталната станция ("ендстейшън"). Включва няколко основни подсистеми:

• Източник: генераторът на частици или фотони (електронна плазма в синхротрона, ускорителен лъч, спалационен таргет или реакторен ядрен източник).
• Транспорт и управление: магнитни лещи, диполи и квадруполи (при заредени частици); вакуумни тръби; колиматори и вакуумни прозорци.
• Оптика за лъчите: огледала, кристални или многослойни монохроматори, лещи и други устройства за фокусиране и настройка на енергия/дължина на вълната.
• Диагностика: мониторни камери, йонни камери, фарадейови чашки и сензори за позиция и интензитет.
• Крайна станция (ендстейшън): пробни позициониращи системи, камери, детектори и среда за контрол на температура, налягане и атмосфера.

Лъчеви линии в ускорителната и елементарно-физична техника

При високoенергийните ускорители лъчевата линия доставя снопове електрони, протони или други частици до експериментални детектори или колайдерни взаимодействия. В тези системи се обръща специално внимание на:

• фазовата стабилност и синхронизация с RF‑системите;
• опашково управление на емисията и намаляване на загубите на частици;
• радияционно щитоване и безопасност, тъй като протонните и електронните лъчи могат да взаимодействат с материали и да предизвикат вторична радиация.

Синхротронни лъчеви линии (синхротронна светлина)

Синхротронната светлина е високоинтензивно, колимирано и често тясно енергетично-избирателно (тунейбъл) излъчване, получено когато релативистични електрони се огъват от магнити или преминават през инсерционни устройства (уондулатори и виглъри). Лъчевата линия за синхротронна светлина типично съдържа:

• Инсерционно устройство: уондулатори, които дават висока яркост и кохерентност;
• Монохроматор: кристален или многопластов елемент за избор на желаната енергия (или дължина на вълната);
• Фокусираща оптика: огледала, микролещи (compound refractive lenses) и други, които намаляват размера на фокуса върху пробата;
• Ендстейшън и детектори: спектрометри, CCD/CMOS детектори, пикселни детектори, детектори за времева резолюция и др.

Типични приложения: рентгенова дифракция (XRD), рентгенова спектроскопия (XAS/EXAFS), микрофокусирани техники, томография, рентгенова фотоефектна спектроскопия (ARPES), динамични измервания (XPCS) и други.

Неутронни лъчеви линии

Неутронните лъчеви линии от реактори или спалационни източници доставят неутрони с различна енергия (топли, топли/термални, студени), подходящи за специфични експерименти. Характерни компоненти и техники включват:

• Модератори и чопъри: за време‑структуриране и избиране на енергия;
• Монохроматори и поляризатори: за селекция на вълнова дължина и поляризация;
• Методи: неутронна дифракция, неутронно разсейване с малки ъгли (SANS), неутронна рефлектометрия, неутронна спектроскопия и томография.

Компоненти и оборудване — подробности

• Вакуум и вакуумни прозорци: при ускорителите и синхротроните лъчите пътуват във високо вакуум за да се избегнат разсейвания; в краен етап често има прозорци (тънки метални или полимерни) между вакуума и експеримента.
• Сигурност и щитоване: лъчевите линии са снабдени с интерлок системи, броячки за радиация и механични бариери за защита на персонала и оборудването.
• Контролни системи: дистанционно управление на позициониране, оптика, енергия и данни; логване и анализ в реално време.

Експерименти и приложения

Лъчевите линии обслужват широк спектър научни и приложни изследвания:

• Материалознание: структурен анализ, дефекти, изследване на напрежения, фазови преходи;
• Химия и катализ: изучаване на активни центрове, реакции in situ;
• Биология и биомедицина: структурна биология, рентгенова кристалография, микротомография на биологични тъкани;
• Индустриални приложения: контрол на качеството, нано‑изследвания, материали за електроника и енергетика;
• Фундаментална наука: измервания в елементарната физика, материални свойства при екстремални условия (високо налягане/температура, магнитни полета).

Достъп, управление и безопасност

Достъпът до големите лъчеви линии (синхротрони и неутронни центрове) обикновено става чрез подаване на научни предложения (beamtime proposals), които се оценяват от експертни комисии. Екипите от потребители работят в тясно сътрудничество с персонала на лъчевата линия (beamline scientists), за да оптимизират експерименталните условия. Безопасността е ключова: преди работа се преминават обучения, правят се проверки на оборудването, и всички експерименти са под контрола на автоматични интерлок системи.

Лъчевите линии са критична инфраструктура за съвременната наука: те превръщат кинетичната енергия на заредени частици или неутрони в детайлна информация за структурата, химията и динамиката на материята на нано‑ до макрониво.

Лъчева линия в ускорител на частици

В ускорителите на частици лъчевата линия обикновено е разположена в тунел и/или под земята, в циментов корпус. Обикновено лъчевата линия е метална с цилиндрична форма. Типичните наименования са: лъчева тръба и/или празна секция, наречена дрейфова тръба. Целият този участък трябва да бъде в добър вакуум, за да може лъчът да се движи на голямо разстояние.

Екип за проучване и подравняване внимателно подравнява сегментите на лъчевата линия с помощта на лазерно проследяване. Всички лъчеви линии трябва да са с толеранс от микрометри. Доброто подравняване помага да се предотврати загубата на лъч и сблъсъкът на лъча със стените на тръбата, което води до вторични емисии и/или излъчване.

 
Невъзможно е да се види тръбата на лъча при тази лъчева линия. Въпреки това участъкът от тръбата на големия лъч се използва с решетъчна система за подравняване с лазер, известна като лазерна тръба. Тази конкретна лъчева линия е дълга приблизително 3 километра.  

Лъчева линия за синхротронно лъчение

Що се отнася до синхротроните, лъчевата линия е инструментариумът, който пренася снопове синхротронно лъчение до експериментална крайна станция, която използва лъчението, произведено от огъващите се магнити и устройствата за вмъкване в пръстена за съхранение на синхротронен светлинен източник. Типично приложение за този вид лъчева линия е кристалографията. Учените използват синхротронната светлина и по много други начини.

Голяма синхротронна лаборатория разполага с много лъчеви линии, всяка от които е оптимизирана за определена област на изследване. Различията ще зависят от вида на устройството за вмъкване (което от своя страна определя интензитета и спектралното разпределение на лъчението); оборудването за кондициониране на лъча; и експерименталната крайна станция. Типичната лъчева линия на съвременен синхротрон е дълга от 25 до 100 м (82 до 328 фута) от пръстена за съхранение до крайната станция и може да струва до милиони щатски долари. Поради тази причина синхротронното съоръжение често се изгражда на етапи, като първите няколко лъчеви линии са в началото на експлоатацията, а други лъчеви линии се добавят по-късно, когато финансирането позволява това.

Елементите на лъчевата линия се намират в защитни корпуси за радиация, наречени хижи, които са с размерите на малка стая (кабина). Типичната лъчева линия се състои от два шкафа - оптичен шкаф за елементите за кондициониране на лъча и експериментален шкаф, в който се помещава експериментът. Между кабините лъчът се движи в транспортна тръба. Хората не могат да влизат в кабините, когато затворът на лъча е отворен и радиацията може да навлезе в кабината. Хранилищата имат сложни системи за безопасност с излишни блокиращи функции, за да се гарантира, че никой не е вътре в хранилището, когато радиацията е включена. Системата за безопасност също така изключва лъчевия сноп, ако вратата на кошарата случайно се отвори, когато снопът е включен. В този случай лъчът се изключва чрез изхвърляне на електронния сноп, който циркулира в синхротрона. Така че отварянето на една врата ще изключи всички лъчеви линии в съоръжението.

Експериментаторите използват следните елементи, които се използват в лъчевите линии за кондициониране на лъчевия сноп между пръстена за съхранение и крайната станция:

• Прозорци - тънки метални листове, често берилиеви, които пропускат почти целия лъч, но предпазват вакуума в пръстена за съхранение от замърсяване.
• Прорези - контролират физическата ширина на лъча и неговото ъглово разпространение.
• Фокусиращи огледала - едно или повече огледала, които могат да бъдат плоски, огънати или тороидални, които помагат за колимиране (фокусиране) на лъча.
• Монохроматори - устройства, базирани на дифракция от кристали, които избират определени ленти с дължина на вълната и поглъщат други дължини на вълната, като понякога могат да се настройват на различни дължини на вълната, а понякога са фиксирани на определена дължина на вълната.
• Разпределителни тръби - вакуумни тръби, които осигуряват подходящо разстояние между оптичните елементи и екранират разсеяното лъчение.
• Стъпала за проби - за монтиране и манипулиране на изследваната проба и подлагането ѝ на различни външни условия, като например променяща се температура, налягане и др.
• Радиационни детектори - за измерване на радиацията, която е взаимодействала с пробата

Комбинацията от устройства за кондициониране на снопа контролира топлинното натоварване (нагряването, причинено от снопа) в крайната станция; спектъра на лъчението, падащо върху крайната станция; и фокуса или колимацията на снопа. Може да се наложи устройствата по линията, които поглъщат значителна мощност от снопа, да бъдат активно охлаждани с вода или течен азот. Цялата дължина на лъчевата линия обикновено се поддържа в условия на свръхвисок вакуум.

 
Разкрита работа на мека рентгенова лъчева линия и крайна станция в австралийския синхротрон  


Вътре в кабината на оптичната диагностична линия (ODB) в австралийския синхротрон; лъчевата линия завършва с малък отвор в задната стена  

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява лъчевата линия?

В: Какъв тип частици се използват в лъчевите линии?

В: Как лъчевите линии водят до експериментална крайна станция?

В: Какви видове експерименти се провеждат с помощта на лъчевите линии?

В: Откъде идва енергията за тези експерименти?

В: Има ли някакви проблеми с безопасността при използването на лъчеви линии в експериментите?

Търсене по буква