SYNCHROTRON - SUPERMIKROSKOP

Głód wiedzy prowadzi nas do odkrywania świata wokół nas. Z czego zbudowana jest nasza planeta? Jakie procesy podtrzymują życie na Ziemi? Jak możemy wyjaśnić właściwości materii i odkrywać nowe materiały? Czy któregoś dnia pokonamy wirusy, wyeliminujemy zanieczyszczenia albo przewidzimy katastrofy?

Na większość z tych pytań nie da się odpowiedzieć bez szczegółowej wiedzy na temat budowy materii. Aby temu pomóc, naukowcy opracowali potężne urządzenia badawcze – SYNCHROTRONY, pozwalające na badanie struktury materii, nawet na poziomie molekuł oraz atomów.
 

Dostrzec niewidzialne
Przez tysiące lat nasza wiedza na temat otaczającego nas świata była ograniczono do skali makroskopowej - obiektów, które widzieliśmy gołym okiem. Żeby “zobaczyć” składniki materii, które mają rozmiary rzędu ułamka metra (np. komórki żywe mają wielkość mikrometra, czyli milionowej części metra = 10-6 m, atom z kolei jest rzędu dziesiątych części nanometra, który jest miliardowa częścią metra = 10-9 m), potrzebna jest inna forma „światła”, która ma długość fali dużo mniejszą niż światło widzialne. Mogą to być odkryte przez Wilhelma Röntgena promienie X, promienie ultrafioletowe (UV), bądź też fale w zakresie podczerwieni. Wszystko zależy od tego, jakiej wielkości obiekty chcemy badać.

Naukowcy stworzyli synchrotrony, aby mieć możliwość swobodnego wybierania długości fali „światła”, którą chcą badać obiekty. To właśnie w tych urządzenia produkowane jest promieniowania synchrotronowe, które pokrywa prawie cały zakres energii (długości fali) potrzebny do badania otaczającej nas materii. Jest to tak unikatowe promieniowanie, że już w 1974 roku zostało nazwane „fantastycznym światłem”.

Jak działa synchrotron?

W synchrotronie przyspieszane są cząstki naładowane, najczęściej elektrony. Początkowo są „wyrzucane” przez swego rodzaju działa i przyspieszane w tak zwanym akceleratorze liniowym (liniaku), z którego przekazywane są do akceleratora kołowego (boostera), gdzie są przyspieszane do bardzo wysokich energii rzędu kilku GeV (GeV= giga elektronowolt 109 eV). Po osiągnięciu tak wysokiej energii przekazywane są do większego pierścienia (pierścienia magazynującego), o obwodzie rzędu kilkuset metrów, gdzie krążą w tak zwanych paczkach, w warunkach wysokiej próżni nawet przez wiele godzin. Krążące elektrony trafiają w pierścieniu na różnego typu magnesy, które wstawiane są w obwodzie pierścienia. Kiedy elektron przechodzi przez magnes jest odchylany od swojego pierwotnego kierunku ruchu o kilka stopni. Ta zmiana kierunku powoduje, że jednocześnie emitowane jest promieniowania zwane promieniowaniem synchrotronowym.


Wiązka takiego promieniowania kierowana jest do tak zwanych linii pomiarowych, które zlokalizowane są dookoła całego obwodu pierścienia magazynującego. Każda stacja pomiarowa jest zaprojektowana do konkretnego typu eksperymentu naukowego. Takie eksperymenty trwają nawet kilka dni i wtedy pomiary trwają cały dzień i całą noc.


Głównym zaletami promieniowania synchrotronowego poza szerokim zakresem długości fali, jest jego olbrzymia intensywność oraz mały rozmiar. Dzięki temu możliwe jest badanie bardzo małych obiektów jak: tkanki, komórki, nanomateriały i inne, co czyni synchrotron ultraczułym narzędziem badawczym – supermikroskopem.

Na świecie istnieje ponad 50 synchrotronów. Również w Polsce, w Krakowie powstaje to wspaniałe urządzenie. Dzięki staraniom Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS (www.synchrotron.uj.edu.pl), na terenie Kampusu UJ budowany jest synchrotron, którego uruchomienie planowane jest na jesień 2014. W budowie synchrotronu uczestniczą również naukowcy oraz technicy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Opracowała: mgr Joanna Kowalska
joanna.kowalska@ifj.edu.pl