Измерение и контроль поляризации

Поляризация синхротронного излучения играет ключевую роль в экспериментах, связанных с физикой конденсированных сред, химией и биологией. Контроль и измерение поляризации позволяет получить точную информацию о взаимодействии фотонов с веществом, а также о структуре и свойствах материалов. Синхротронное излучение обладает высокой степенью поляризации, которая зависит от типа источника (спиральный ондулятор, обычный ондулятор, магнитная система хранения).

Методы измерения поляризации

Существует несколько основных подходов к количественному и качественному определению поляризации:

1. Использование кристаллических анализаторов

Кристаллы с известной структурой, такие как графит, калиброванные дифракционные решётки или алмаз, могут служить анализаторами поляризации:

  • Принцип действия: интенсивность отражённого излучения зависит от ориентации поляризации относительно плоскости кристалла.
  • Особенности: на рентгеновских энергиях используется эффект Брэгга, на мягком рентгене — эффект дифракции под малым углом.
  • Преимущества: высокая точность измерений и возможность выбора желаемой энергии фотонов.
  • Ограничения: узкая энергетическая полоса, необходимость точного выравнивания кристалла.

2. Комбинация поляризаторов и детекторов

Для визуализации и количественного анализа поляризации применяются оптические элементы:

  • Вариант 1: Линейные поляризаторы — пластины или кристаллы, которые пропускают только определённое направление электрического вектора.
  • Вариант 2: Циркулярные поляризаторы — чаще всего реализуются с помощью фазовых пластин, изменяющих фазу компоненты электрического поля.
  • Принцип измерения: сравнение интенсивности сигнала до и после поляризатора позволяет определить степень поляризации и её тип (линейная, круговая, эллиптическая).

3. Метод обратного Комптона и фотоэффекта

Для высокоэнергетического излучения рентгеновского диапазона и гамма-лучей применяются физические процессы взаимодействия фотонов с веществом:

  • Обратное Комптоновское рассеяние: направление и интенсивность рассеянных фотонов зависит от поляризации исходного излучения.
  • Фотоэлектронный эффект: направление выбитых электронов несёт информацию о поляризации фотонов.
  • Преимущества: возможно определение поляризации в широком диапазоне энергий, включая жесткое рентгеновское излучение.
  • Особенности: требует сложных детекторов с высокой пространственной разрешающей способностью.

Контроль поляризации в экспериментах

Контроль поляризации синхротронного излучения осуществляется на уровне источника и оптической линии:

1. Использование специальных ондуляторов

  • Спиральные ондуляторы: формируют круговую или эллиптическую поляризацию за счёт синхронного движения электронов по спиральной траектории.
  • Варианты настройки: изменение амплитуды магнитного поля или фазы сдвига между магнитными периодами позволяет менять степень и тип поляризации.
  • Преимущества: гибкость управления поляризацией без потери интенсивности.

2. Оптические элементы на линии

  • Вакуумные фазовые пластинки позволяют преобразовывать линейную поляризацию в круговую или эллиптическую.
  • Отражательные зеркала под малым углом используют эффект Брэгга и могут выполнять фильтрацию по поляризации.
  • Комбинирование элементов обеспечивает тонкую настройку поляризации в зависимости от задач эксперимента.

Ключевые параметры измерений

При оценке поляризации синхротронного излучения учитываются следующие характеристики:

  1. Степень поляризации P — отношение разности интенсивностей компонент к их сумме:

$$ P = \frac{I_{\parallel} - I_{\perp}}{I_{\parallel} + I_{\perp}} $$

где I∥ и I⟂ — интенсивности компонент, параллельной и перпендикулярной выбранной оси.

  1. Угол поляризации θ — ориентация линейной поляризации в пространстве, измеряемая относительно опорной оси кристалла или линии эксперимента.

  2. Эллиптичность — отношение малой оси к большой оси эллипса поляризации; для круговой поляризации этот параметр равен единице.

Применение и значимость

Контроль и измерение поляризации:

  • Позволяет проводить спектроскопию с высокой селективностью по спину электронов (XMCD, XLD).
  • Используется в структурной биологии для изучения макромолекул.
  • Важен для изучения магнитных и оптических свойств материалов.
  • Обеспечивает корректное моделирование взаимодействия фотонов с веществом в экспериментах на основе синхротронных источников.
Оглавление