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