Ympyräpolarisoidun synkrotronisäteilyn tuotto

• Main Author: Änäkkälä, A. (Aleksi)
• Format: Dissertation
• Language: Finnish
• Published: University of Oulu 2013
• Subjects: Physics
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201301111003; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201301111003

Tässä tutkielmassa perehdytään ympyräpolarisoidun synkrotronisäteilyn tuottamisen perusperiaatteisiin. Aluksi käydään läpi sähkömagneettisen säteilyn polarisaatioon liittyvää teoriaa: polarisaation määritelmä, taso- elliptinen ja ympyräpolarisaatio sekä polarisaation määritteleminen polarisaattorin ja Malusin lain avulla. Tämän jälkeen perehdytään polarisaatioasteeseen ja kahteen sen selvittämisessä käytettyyn matemaattiseen menetelmään, Stokesin parametreihin ja koherenssimatriisiin. Lisäksi tarkastellaan kuinka Stokesin parametrien avulla voidaan selvittää säteilyn polarisaation jakautuminen lineaariseen polarisaatioon ja ympyräpolarisaatioon. Tutkimuksessa esitellään synkrotronilähteiden historia ja kehitys lyhyesti sekä käydään läpi synkrotronien perusrakenne ja toimintaperiaate. Synkrotroni on erittäin intensiivistä sähkömagneettista säteilyä tuottava hiukkaskiihdytin. Lisäksi synkrotronilla voidaan tuottaa säteilyä laajalla energia-alueella. Synkrotronissa varatut hiukkaset, useimmiten elektronit, kiihdytetään relativistisiin nopeuksiin ja ohjataan kiertämään varastorenkaaseen ympyrärataa muistuttavalle liikeradalle, jossa hiukkasten liike-energia voi olla jopa useita satoja megaelektronivoltteja. Varastorenkaassa elektronien liikerataa taivutetaan voimakkaiden taivutusmagneettien avulla. Tällöin elektronit ovat hetkellisesti kiihtyvässä liikkeessä ja emittoivat sähkömagneettista säteilyä, jota kutsutaan synkrotronisäteilyksi. Synkrotronisäteilyä voidaan synnyttää myös tarkoitusta varten suunniteltujen lisälaitteiden, wigglerien ja undulaattorien avulla. Wigglerit ja undulaattorit koostuvat elektronien radan ympärille asetetuista pitkistä magneettisarjoista, joiden muodostama voimakas jaksottainen magneettikenttä saa elektronit liikkumaan sinikäyrää muistuttavalla mutkittelevalla liikeradalla ja emittoimaan säteilyä. Wigglerien ja taivutusmagneettien tuottaman säteilyn spektri on jatkuva, kun taas undulaattorin tuottamassa säteilyssä on yksi tai muutamia teräviä säteilypiikkejä. Wigglereillä ja etenkin undulaattoreilla voidaan tuottaa huomattavasti suuremman intensiteetin omaavaa säteilyä kuin taivutusmagneeteilla. Elektronien relativistisen nopeuden vuoksi sekä taivutusmagneeteissa että lisälaitteissa syntynyt säteily havaitaan elektronien liikeradan suuntaisena kapeana säteilykeilana. Syntynyt säteily ohjataan varastorenkaasta ulos ja useista erilaisista optisista laitteista koostuvaa säteilylinjaa pitkin tutkimusasemalle, jossa se kohdistetaan tutkittavaan näytteeseen. Sekä taivutusmagneeteilla että tavanomaisilla wigglereillä ja undulaattoreilla tuotettu säteily on lineaarisesti polarisoitua. Ympyräpolarisoitua synkrotronisäteilyä voidaan tuottaa lisälaitteilla, joiden magneettisarjojen rakennetta tai asettelua on muokattu siten, että ne tuottavat säteilyyn sekä vaaka- että pystysuoran polarisaation komponentin. Tutkielmassa esitellään kolme erilaista undulaattorityyppiä, joilla voidaan tuottaa halutun polarisaation, myös ympyräpolarisaation, omaavaa synkrotronisäteilyä. Tämän jälkeen esitellään lyhyesti Ruotsissa Lundissa sijaitsevan MAX IV-laboratorion MAX II-varastorengas ja sille sijoitettu I1011-säteilylinja, jolla voidaan tuottaa oikea- ja vasenkätisesti ympyräpolarisoitua sekä horisontaalisesti ja vertikaalisesti lineaarisesti polarisoitua säteilyä. Polarisoidulla säteilyllä suoritettavien tutkimusten kannalta on tärkeää, että säteilylinjan koeasemalla näytteeseen osuvan säteilyn polarisaatio-ominaisuudet tunnetaan mahdollisimman tarkkaan. Tutkielman lopuksi esitetään synkrotronisäteilyn polarisaation kokeellisen määrittämisen mahdollistava koejärjestely. Siinä säteilyn tielle asetetaan sopivat polarisaattori ja analysaattori, joita voidaan kiertää toisistaan riippumatta säteilyn akselin ympäri. Järjestelmän läpäisseen säteilyn intensiteetti mitataan kiertokulmien funktiona ja intensiteettijakaumasta voidaan numeerisesti selvittää mm. säteilyn Stokesin parametrit. Lähteinä tutkielmassa on käytetty aiheeseen liittyvää kirjallisuutta ja tieteellisiä artikkeleita. Polarisaation teorian osalta tärkeimpiä lähteitä ovat Optical society of American julkaisemat Handbook of Optics I ja II sekä M. Bornin ja E. Wolfin Principles of Optics. Synkrotronia ja synkrotronisäteilyä käsittelevissä osioissa lähteinä on käytetty muun muassa D. Attwoodin Soft x-rays and extreme ultraviolet radiation: principles and applications -kirjaa ja aihetta käsitteleviä tieteellisiä artikkeleita. Myös muutamia internet-lähteitä, mm. MAX IV-laboratorion internetsivuja, on hyödynnetty.