La Luce di Sincrotrone generalita’ ed alcune applicazioni

1. La Luce di Sincrotronegeneralita’ ed alcune applicazioni M. Benfatto Gruppo teorico - Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

2. Programma del seminario • Generalita’ e caratteristiche fondamentali • Diffrazione • Assorbimento di raggi X da stati profondi

3. La radiazione e.m. si accoppia debolmente con la materia a=1/137 Il sistema in esame e’ debolmente perturbato 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 “manipola” facilmente

4. elettroni sincrotrone neutroni Molecole/atomi nuclei casa cellule hard X-rays Onde radio gamma rays visibile soft X-rays … inoltre si puo’ facilmente accedere a scale di lunghezze estremamente differenti “semplicemente” cambiando l’energia dei fotoni

5. Il campo elettrico di una carica che si muove di moto arbitrario e’ formato da due pezzi accelerazione velocita’ La luce di sincrotrone e’ radiazione elettromagnetica come si genera ?

6. La potenza totale irradiata su tutto l’angolo solido risulta essere dove proporzionale al quadrato dell’ 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

7. raggio orbita A velocita’ relativistica la radiazione emessa appare ad un osservatore tutta concentrata in un cono piccolissimo < 1 mrad Per moti circolari

8. Elettroni Radiazione di sincrotrone Elettroni Magnete curvante

9. 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

10. Numero di fotoni – la brillanza notare che il numero di Avogadro e’ 1023

12. 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 …

13. Primi acceleratori 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 1930 1947 Verso energie piu’ alte 1980 Costruzione delle macchine dedicate Fisica delle particelle 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 Un po’ di storia

14. Attualmente circa 40 macchine dedicate ed altre in costruzione

15. ESRF – European Synchrotron Radiation Facility

16. 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

18. magnete curvante ondulatore anello di accumulazione

19. anello di accumulazione sala delle ottiche sala sperimentale cabina di controllo

20. biologia fisica medicina Dove si utilizza Scienze dell’ambiente Scienze dei materiali chimica

21. alcuni esperimenti Golden-rule di Fermi

22. n atomi per cella unitaria definiti dai vettori r1…rn rn La posizione della cella rispetto ad un sistema di riferimento e’ definita da 3 interi m1,m2,m3 a1 a2 Diffrazione insieme “ordinato” di atomi – e’ una ripetizione tridimensinale di una unita’ elementare (cella unitaria) di atomi o melecole. cristallo

23. Processo fisico: urto elastico della luce con la nuvola elettronica dell’atomo atomo ki O kf 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

24. Dove I0 e’ l’intensita del campo elettrico incidente mentre F e’ il fattore di struttura - N1N2N3=M Somma sugli atomi della cella unitaria – indice n

25. crystal detector Le funzioni del tipo danno origine a picchi ben definiti Legge di Bragg q angolo di incidenza rispetto al piano reticolare n intero d distanza tra piani reticolari l lunghezza d’onda ki kf q q 2d sinq = nl

26. 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.

27. 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

28. 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.

29. 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

30. MbCO Cristallografia di proteine risolta in tempo – distacco ed evoluzione della molecola di CO nella mioglobina. • 4 nanosecondi • 1 ms • 7.5 ms • 50.5 ms • 350 ms • 1.9 ms Si e’ anche sfruttata la struttura temporale della LdS

31. Geologia

32. dx I0 I dI=m(E) I dx I=I0e-m(E)x Assorbimento raggi X - XAS Si misura I in funzione dell’energia dei fotoni incidenti

33. Raggi x monocromatici sincrotrone I0 I Raggi x policromatici campione Schema tipico esperimento XAS

34. Ionisation threshold 3s 2p3/2 L3 2p1/2 L2 X-ray L1 2s K 1s Processo fisico : eccitazione di un elettrone dagli stati profondi

35. Il coefficiente di assorbimento puo’ essere scritto come L’elettrone fotoemesso urta con gli atomi circostanti prima di ritornare a quello assorbente

36. 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. T.F.

37. Caratteristiche principali • Nessuna necessita’ di cristalli • Selettivita’ atomica • Informazioni di corto range • Maggiore laboriosita’ interpretativa

38. Un esempio

39. Un secondo esempio Studio del sito locale di una proteina che controlla la concentrazione del ferro nei batteri Gram-negativi

40. ... 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.

41. 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!

42. 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