La Luce di Sincrotrone
generalita’ ed alcune applicazioni
M. Benfatto
Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di
Frascati dell’INFN
Programma del seminario
• Generalita’ e caratteristiche fondamentali
• Diffrazione
• Assorbimento di raggi X da stati profondi
La radiazione elettromagnetica (e.m.) e’ stata ed e’ attualmente uno dei
principali mezzi di indagine per lo studio delle proprieta’ della materia.
La radiazione e.m. si accoppia debolmente con la
materia
a=1/137
Il sistema in esame e’ debolmente perturbato
La radiazione e.m. si “manipola” facilmente
… inoltre si puo’ facilmente accedere a scale di
lunghezze estremamente differenti “semplicemente”
cambiando l’energia dei fotoni
elettroni
sincrotrone
neutroni
casa
Onde
radio
cellule
Molecole/atomi
visibile
soft
X-rays
nuclei
hard
X-rays
gamma
rays
La luce di sincrotrone e’
radiazione elettromagnetica
come si genera ?
Il campo elettrico di una carica che si muove di moto
arbitrario e’ formato da due pezzi
 Q   Q 
E  2 f ( n , v )  f1 ( n , a )
R
R
velocita’
accelerazione
Il termine dipendente dall’ accelerazione genera la radiazione e.m. che
noi osserviamo – stesso meccanismo che si verifica nelle attenne radio
dove le cariche (gli elettroni del metallo) oscillano periodicamente
La potenza totale irradiata su tutto l’angolo solido risulta essere
Prad
2 Q 2a 2 4


3
3 c
dove

1
1  2
proporzionale al quadrato dell’ accelerazione
v

c
Per moti circolari
Prad
2 Q 2c 4 4


2
3 R
raggio orbita
A velocita’ relativistica la radiazione emessa appare ad un
osservatore tutta concentrata in un cono piccolissimo < 1 mrad
Magnete curvante
Elettroni
Radiazione
di
sincrotrone
Elettroni
Distribuzione spettrale
lc e’ un lunghezza d’onda critica che e’ inversamente proporzionale al quadrato
dell’ energia della macchina. Per DAFNE e’ circa 38 Å che equivalgono a circa
320 eV.
notare lo spettro quasi continuo
Numero di fotoni – la brillanza
notare che il numero di Avogadro e’ 1023
Caratteristiche LdS
• Alta brillanza
• Spettro continuo dall’infrarosso ai raggi X duri
• Emissione pulsata – impulsi di circa 100 ps
inoltre
Polarizzazione ben definita, stabilita’ del fascio,
facilita’ di manipolazione …
Un po’ di storia
Prime osservazioni di LdS
fatte da Herb Pollock,
Robert Langmuir, Frank
Elder
and
Anatole
Gurewitsch alla General
Electric
Research
Laboratory, Schenectady,
New York
con
un
sincrotrone di 70 MeV
Primi acceleratori
1930
1947
Verso energie
piu’ alte
1980
Fisica delle
particelle
Costruzione delle
macchine dedicate
Radiazione di
Sincrotrone
In Italia parte ufficialmente il progetto PULS
(Progetto Utilizzazione Luce di Sincrotrone)
nel 1975 con l’uso di ADONE - Prime
ricerche sulla spettroscopia di assorbimento di
raggi X da stati profondi
Attualmente circa 40 macchine
dedicate ed altre in costruzione
ESRF – European Synchrotron
Radiation Facility
ESRF e’ una cooperazione di
16 paesi europei – L’Italia
partecipa al 15%.
Budget annuale ~ 63 Meuro
L’Italia ha progettato e
costruito la linea GILDA
E’ situato a Grenoble
List of beamlines
ESRF
ID1
ID2
ID3
ID8
ID9
ID10
ID11
ID12
ID13
ID14
ID15
ID16
ID17
ID18
Anomalous scattering
Small-angle scattering
Surface diffraction
Spectroscopy using polarised
soft X-rays
Biology / High pressure
Multipurpose
Materials science
Circular polarisation
Microbeam
Protein crystallography
High energy
Inelastic scattering
Medical
Nuclear scattering
ID19
ID20
ID21
ID22
ID24
ID26
Microtomography - Topography
Magnetic scattering
X-ray microscopy
Microfluorescence
Dispersive EXAFS
Spectroscopy on ultra-dilute
samples
ID27 Industry
ID28 Inelastic scattering
ID29 Biology MAD
ID30 High pressure
ID32 Surface EXAFS - Photoemission
BM5 Optics
BM16 Powder diffraction
BM29 Absorption spectroscopy
magnete curvante
ondulatore
anello di accumulazione
anello di accumulazione
sala delle ottiche
sala sperimentale
cabina di controllo
Dove si utilizza
Scienze dei
materiali
Scienze
dell’ambiente
biologia
medicina
fisica
chimica
alcuni esperimenti

2
( E)  a  | (f | int | i ) | ( E  Ef  Ei )
f
Light-matter interaction
Fluorescence
Photoemission
Electron
Incident
beam
Transmission
Absorption
Sample
Elastic
Scattering /
diffraction
Inelastic
scattering
Golden-rule di Fermi
Diffrazione
cristallo
insieme “ordinato” di atomi – e’ una ripetizione
tridimensinale di una unita’ elementare (cella
unitaria) di atomi o melecole.
n atomi per cella unitaria
definiti dai vettori r1…rn
a1
rn
a2
La posizione della cella rispetto
ad un sistema di riferimento e’
definita da 3 interi m1,m2,m3
n


 
R m  m1a1  m2a 2  m3a 3  rn
n
Rm
ki
Processo fisico: urto
della luce con la
elettronica dell’atomo
atomo
elastico
nuvola
O
kf
P  f ne
  n
2 i / l ( kf ki ) R m
P
fattore di forma atomico
Si misura l’intensita’ I del campo elettrico nel punto P
di osservazione
Bisogna sommare su tutti gli n-atomi della cella unitaria e su
tutte le celle unitarie M che compongono il cristallo

 

 
2
sin (  / l )( k f  k i )  a 1 N 1 sin (  / l )( k f  k i )  a 2 N 2

 

 
I  I0 F2
2
2
sin (  / l )( k f  k i )  a 1
sin (  / l )( k f  k i )  a 2

 
2
sin (  / l )( k f  k i )  a 3 N 3

 

2
sin (  / l )( k f  k i )  a 3
2
Dove I0 e’ l’intensita del campo elettrico incidente mentre F
e’ il fattore di struttura - N1N2N3=M
F   f ne
  
( 2 i / l )( k f  k i ) rn
n
Somma sugli atomi della cella unitaria – indice n
Le funzioni del tipo
sin 2 Nx
y
sin 2 x
danno origine a picchi
ben definiti
crystal
Legge di Bragg
ki
q
q angolo di incidenza rispetto
kf
q
al piano reticolare
n intero
d distanza tra piani reticolari
l lunghezza d’onda
2d sinq = nl
Viene misurata l’intensita’ diffratta in funzione dell’angolo q
Da questi dati si
possono
ricostruire
delle mappe di densita’
di carica – posizione
degli atomi.
Caratteristiche principali
• Informazioni geometriche di lungo range
• Necessita’ di avere un cristallo o almeno un
qualche tipo di ordine
• Tecnica estremamente ben consolidata sia
sperimentalmente che teoricamente
Nei moderni sincrotroni la diffrazione viene principalmente
usata per lo studio di strutture proteiche
molti atomi per cella unitaria - poche celle
unitarie - cristalli piccolissimi
Modalita’ alla Laue: si raccoglie lo
spettro contemporaneamente per
molti valori di l – l compreso tra
due valori.
In questa maniera si riescono ad ottenere informazioni
sulla struttura delle proteine
Struttura del capside del virus
dell’epatite B dell’uomo
Un “ gomitolo ” del diametro di
circa 130 Å e con spirali lunghe
circa 25 Å.
Si e’ sfruttata la brillanza e la
tunabilita’della LdS
Cristallografia di proteine risolta in
tempo – distacco ed evoluzione della
molecola di CO nella mioglobina.
A)
B)
C)
D)
E)
F)
4 nanosecondi
1 ms
7.5 ms
50.5 ms
350 ms
1.9 ms
Si e’ anche sfruttata la
struttura temporale della LdS
MbCO
Geologia
Assorbimento raggi X - XAS
dx
I0
dI=m(E) I dx
I
I=I0e-m(E)x
Si misura I in funzione dell’energia dei fotoni incidenti
Schema tipico esperimento XAS
Raggi x monocromatici
sincrotrone
Raggi x policromatici
I0
I
campione
Processo fisico :
eccitazione di un elettrone dagli stati profondi
Ionisation threshold
X-ray
3s
2p3/2
2p1/2
2s
L3
L2
L1
1s
K
Il coefficiente di assorbimento puo’ essere scritto come
m( E)  0 ( E)( E)
 ( E)  1   n ( E)
n 2


TOT
0
n (k)  An (k, r ) sin( kR  2  F n (k, r ))
Pn
L’elettrone fotoemesso urta con
gli atomi circostanti prima di
ritornare a quello assorbente
Caratteristiche:
K-edges (eV)
Fe 7111
Co 7709
Ni 8333
Cu 8979
Zn 9659
Specificita’ atomica
Informazioni strutturali tridimensionali
nell’intorno di qualche decina di
angstrom dall’atomo fotoassorbitore.
0.6
7
0.4
6
T.F.
0.2
5
4
0
3
-0.2
2
-0.4
-0.6
1
0
5
K
10
15
0
0
1
2
3
R
4
app
5
6
7
8
Caratteristiche principali
•
•
•
•
Nessuna necessita’ di cristalli
Selettivita’ atomica
Informazioni di corto range
Maggiore laboriosita’ interpretativa
Un esempio
Un secondo esempio
Studio del sito locale di una
proteina che controlla la
concentrazione del ferro nei
batteri Gram-negativi
... e molte altre applicazioni: dall’imaging alla litografia
per micromeccanica
Particolare di un osso di
topo – dimensioni 1.8
mm
Da applicazioni utili all’industria a quelle di tipo
medico e nel campo della storia dell’arte.
Sviluppi futuri
(possibili)
Migliore uso delle attuali sorgenti: ottiche, rivelatori...
A frascati si e’ ricostituito un gruppo di LdS per l’uso
della luce proveniente da DAFNE
Sorgenti di 4th generazione: FEL
Si cerca di aumentare la brillanza - le
macchine in progetto hanno una
brillanza media circa 1000 volte piu’
alta di quelle attuali!
Ringraziamenti (in ordine sparso)
Il gruppo DaFne-L; in particolare
A. Marcelli
E. Pace
A.Raco
Manolo Sanchez Del-Rio del laboratorio ESRF
D. Babusci dei LNF