LA RADIAZIONE INFRAROSSA DA SICROTRONE Mariangela Cestelli Guidi LNF- INFN Incontri di Fisica...
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LA RADIAZIONE INFRAROSSA DA SICROTRONELA RADIAZIONE INFRAROSSA DA SICROTRONE
Mariangela Cestelli GuidiLNF- INFN
Incontri di FisicaFrascati, 6 ottobre 2004
•La spettroscopia ottica: che informazioni può dare?•La tecnica sperimentale•Perchè la luce di sincrotrone•La linea Sinbad di luce di sincrotrone•Alcune applicazioni della spettroscopia IR
Unità di misura : cm-1 1 eV ~ 8065 cm-1
1 THz ~ 33 cm-1
La parte infrarossa dello spettro elettromagnetico
Lontano IR: 5-500 cm-1 Medio IR: 500-5000 cm-1 da 1 meV a 1 eV Vicino IR: 5000-15000 cm-1
Quando un fascio di radiazione elettromagnetica di intensità Io passa attraverso un materiale, può essere assorbito o trasmesso*, a seconda della frequenza dell radiazione e delle proprietà fisiche delle molecole che incontra:
Quando una molecola assorbe energia avviene una transizione dal suo stato iniziale (Einiziale) ad uno finale (Efinale). La frequenza della radiazione assorbita è legata
all’energia della transizione dalla legge di Planck: Efinale - Einiziale = h = hc/ .
Dunque, se la frequenza della radiazione incidente soddisfa questa legge per una coppia di stati iniziale e finale la radiazione viene assorbita, altrimenti trasmessa.
Assorbimento
Trasmissione
Assorbimento
I0
I=I0 e-x
coeff. di assorbimentox
* Per la riflessione si vedano diapositive successive
•Analisi chimiche: “impronte digitali” delle molecole
•Proprietà elettroniche : gap dei superconduttori; metalli, isolanti, semiconduttori...
•Possibilità di studiare le proprietà ottiche di un sistema in funzione di altre variabili (temperatura, pressione, campi magnetici)
Analisi non distruttive
Quali informazioni si ottengono dalla spettroscopia infrarossa?Quali informazioni si ottengono dalla spettroscopia infrarossa?
•Gli assorbimenti di una molecola avvengono a frequenze nell’IR:
FIR rotazioni MIR vibrazioni NIR bande di CT, gap s.c.
Ogni molecola formata da N atomi ha 3N gradi di libertà:
3 g.d.l. traslazionali Etrasl = mv2/2= mvx2/2+ mvy
2/2+ mvz2/2
3 g.d.l. rotazionali Erot = I2/2= Ix2/2+ Iy
2/2+ Iz2/2
(3N – 6) g.d.l. vibrazionali
( per le molecole lineari I=0 per la rotazione attorno all’asse principale, dunque i gdl sono 2)
(3N – 5 per le molecole lineari)bendingstretching
H2O
Un modo è attivo nell’IR se ad esso è associata una variazionedel momento di dipolo della molecola
La molecola di COLa molecola di CO22
Momento di dipolo = 0 non attiva nell’IR
Momento di dipolo 0 attiva nell’IR
Momento di dipolo 0 attiva nell’IR
Le equazioni della spettroscopia otticaLe equazioni della spettroscopia ottica
)(4
1)( i
)()(~ n
022'
')'(ln2)(
d
P
22
222
2
2
0 )1(
)1(
1
1)(
kn
kn
E
E
I
IR
i
rr
Si misura sperimentalmente ed è1 equazione in 2 incognite (n,k)
Riflettività
La seconda equazione si ottiene dalle relazioni di Kramers-Kronig:Ponendo
Trasmissione
)()()(~ iknn
)()()( 21 i
)()()( 21 i
Indice di rifrazione
Conducibilità
Funzione dielettrica
Informazioni che vogliamo estrarre da una misura IR:
)()()(~ ier
con )(~)(2 Rr
Coefficiente di assorbimento
L’interferometria in trasformata di Fourier (FTIR)L’interferometria in trasformata di Fourier (FTIR)
Albert Michelson (1852-1931)
Il primo interferometro fu usato nel 1881 da Michelson e Morleyper dimostrare l’esistenza dell'etere, sfruttando il fenomeno dell’interferenza tra due fasci di luce che percorrono cammini ottici diversi.
Edward Morley (1838-1923)
Onda monocromatica: Onda non monocromatica:
dII
1
2
02cos1)(
Come funziona un interferometro?
2x=nn
2x=nn=1,3,5...
)2cos()()( xSxI
La trasformata di Fourier
dxSxI )2cos()()(
dxxxIS )2cos()()(
La grandezza misurata dalrivelatore è I(x).per ottenere lo spettro S()se ne calcola la trasformata di Fourier
SR
L’interferometro della linea Sinbad: l’ Equinox 55 (Bruker)
Sorgenti convenzionali
Ricapitolando...
- L’interferometro (A) produce un interferogramma I(x).- L’interferogramma (B) viene campionato dalle frange del laser (C). In seguito il computer ne calcola la TF per ottenere lo spettro.
- Si acquisisce uno spettro sul campione (A), poi uno sul riferimento (B) e si calcola la trasmissione (C)
fotoresistenze (1 GHz) bolometri (1 KHz)
Detectors nell’IRDetectors nell’IR
La microscopia IRLa microscopia IR
Il primo microscopio IR (Perkin Elmer) Un moderno microscopio IR:IRscope I (Bruker )
La risoluzione massima è legata al limite di diffrazione:
L’immagine di una sorgente puntiforme di lunghezza d’onda ha un diametro
d = 1.22 /(NAobbiettivo + NAcondensatore)
dove NA è l’apertura numerica (si assume n=1 per l’aria).
In pratica d~ Per la regione dell’ IR in cui si osservano le “impronte digitali”
di una molecola, ~ 5dunque la risoluzione spaziale del microscopio è ~ 5
LA RADIAZIONE INFRAROSSALA RADIAZIONE INFRAROSSADI SINCROTRONEDI SINCROTRONE
Le sorgenti di radiazione IRLe sorgenti di radiazione IR
• Sorgenti Convenzionali: • Corpo nero (Globar, lampade Hg)
• Sincrotrone (a banda larga):• Magnete curvante (guadagno in brillanza 102)• Ondulatore (5-10)• Emissione da edge (103)• Bunch-Coherence (108 : solo nel lontanissimo IR THz)
• Sincrotrone o LINAC:• Free Electron Laser (guadagno in brillanza 108 )
InfraRed Synchrotron Radiation chronology
1976 First observation of IRSR (Stevenson, Lagarde)
1985 First IRSR spectrum (Berlin)
1985 First beamline at UVSOR (Nanba)
1987 Beamline with users at Brookhaven (Williams)
1995 First int. workshop on IRSR, Rome.1995 Observation of edge radiation, Madison.2001 First beamline exploiting edge radiation, Karlsruhe
2002 Emission from coherent bunch modes, Berlin (Schade)
Quale funziona meglio?
Sorgente termica Sorgente di sincrotrone
Radiazione attraverso un pinhole da 10 µm (microscopio)
Guadagno in brillanza della IRSRGuadagno in brillanza della IRSRrispetto ad un corpo nerorispetto ad un corpo nero
L’emissione di radiazione IR da magnete curvanteL’emissione di radiazione IR da magnete curvante
BrillanzaPolarizzazione
Struttura temporale
B = const
Flusso che attraversa una apertura Flusso che attraversa una apertura rettangolarerettangolare
Distribuzione di intensitàDistribuzione di intensità
E = 2.5 GeVB = 1.56 T ( 5.3 m)I = 500 mA
r 0.7 max = 40 mm (~57 mr)ay = 32 mm (~45 mr)
31)(~ )( c
Angolo di aperturaAngolo di apertura::
c
dxxK
Ieddtd
dN
c )(
2
3
)(
35
Flusso integrato sulla Flusso integrato sulla distribuzione verticale distribuzione verticale
Emissione coerente dal centro del magnete curvanteEmissione coerente dal centro del magnete curvante
1.5
1.0
0.5
0.0M
agne
tic
Fiel
d [T
]
1.0m 0.5 0.0 -0.5 -1.0Position on particle trajectory [m]
-40mm
-20
0
20
40
y [m
m]
-40mm -20 0 20 40x [mm]
150
100
50
0
Photons/s/.1%bw
/mm
^2 x109 -40mm
-20
0
20
40
y [m
m]
-40mm -20 0 20 40x [mm]
2.5
2.0
1.5
Photons/s/.1%bw
/mm
^2 x109
Blackbody(1200°K)
DANE
Elettra
ALS
SLSESRF
10 -4 10 -2 100 10 2 10 4 10 610 2
10 4
10 6
10 8
10 10
10 12
10 14
10 1612398 124 1.24 0.012 0.00012
wavelength (µm)
Photon energy (eV)
Ph
oton
s/s/
mm
2 /m
rad
2 /0.
1%b
w
1000 µm
5000 eV
La struttura temporaleLa struttura temporale
La struttura pulsata della radiazione IR di sincrotrone rappresenta uno strumento di analisi estremamente potente per investigare fenomeni che dipendono dal tempo su scale molto piccole. Oltre alla spettroscopia risolta in tempo o alla spettroscopia fast-scan, la luce di sincrotrone IR può essere utilizzata per esperiment di tipo pump-probe utilizzando tecniche FTIR standard. La spettroscopia risolta in tempo può essere, per ora, applicata nella regione del medio IR, dove sono disponibili detectors veloci (la tipica frequenza di cutoff di un bolometro nel lontano IR è di 300 Hz).
STEP scan vs. RAPID scan
La sequenza temporale ad ALS
80 nsec gap
2 nsec spacing, 44 psec pulse width
nsec TRS measurement
with an IFS 66v/S
Ref: M.C. Martin, W.R. McKinney ALS Lawrence Berkeley National Lab.,USA
COME E’ FATTA UNA BEAMLINE COME E’ FATTA UNA BEAMLINE PER L’INFRAROSSOPER L’INFRAROSSO
60x60 mrad - M2 ellissoide
Propagazione di un fronte d’onda: ANKA IRPropagazione di un fronte d’onda: ANKA IR
Aperture45 mr H x 15 mr V
M1Flat Be
M2 ToroidRt3.3 m, Rs1.65 mfxfz1.167 m
M3 ToroidRt3.3 m, Rs1.65 mfxfz1.167 m
W1DiamondD = 20 mm
BM
2.166 m 0.98 m
0.35 m
1.75 m
Intensity Distributions at 10 m WavelengthFlux at 10 m Wavelength: 4.08 x 1013 Photons/s/0.1%bw
Assumption of perfect alignment of all mirrors
Optical scheme: Y.-L.Mathis, F. Polack, H. Mozer
~4.2 m
LA LINEA DI IRSR SINBAD @ DALA LINEA DI IRSR SINBAD @ DANENE
Interferometer
Microscope
Chamber of the thoroid
SR
SORGENTI IRSRSORGENTI IRSRNEL MONDO ED IN ITALIANEL MONDO ED IN ITALIA
# di beamlines IR nel mondo # di beamlines IR nel mondo
Solo in Europa...Solo in Europa...
DANE - LNF INFN
IR
ee++ e e-- collider collider
Alta corrente: I >1 ABassa energia: E=0.51 GeV
Tunability Tunability
Emission from SR rings covers continuously the
spectral range from microwaves to X-ray.
BrightnessBrightness
High brightness allows for intense signal and
fast spectrum collection times
Diffraction Limited ResolutionDiffraction Limited Resolution
As a consequence of brightness, SR IR beams can be focused to diffraction limited spots without loss of intensity. Maximum spatial resolution is achievable in microscopy.
Pulsed EmissionPulsed Emission
The bunch pattern of the electron beam gives rise to a pulsed emission of IR radiation that is valuable in time resolved experiments.
PolarizationPolarization
Linearly and circularly polarized components of the radiation can be easily extracted by selecting sections of the beam
La hall di DALa hall di DANENE
SINBAD SINBAD
LNF - DANE-Ligth
•E. Burattini•M. Cestelli Guidi
•G. Cinque•A. Grilli
•A. Marcelli•M. Piccinini
Universita’ La Sapienza
•P. Calvani•A. Nucara
•P. Postorino
Il team SINBAD (coll. INFN - La Sapienza)
P. Calvani, A. Marcelli, M. Piccinini, E. Burattini, M. Cestelli Guidi, A. Nucara
IL LAYOUT OTTICOIL LAYOUT OTTICO
Estrazione:17 mrad (H) x 45 mrad (V)
SR SOURCESR SOURCE
Spot Size : NIR (1x1.5) mm2
FIR diffraction limited
Bruker IRscope I- Spatial resolution ~10m- in purge mode- MIR range (500-8000 cm-1)
•Bruker interferometer Equinox 55- Modified to work in a vacuum (10-3 mbar)- Spectral range 20-15000 cm-1
- Resolution 0.5 cm-1
•Oxford cryogenic apparatus- T=10-300 K
•Bolometer 4.2 K
Brillanza della sorgente:Brillanza della sorgente:Confronto tra SR e corpo neroConfronto tra SR e corpo nero
Guadagno di SINBAD rispetto alle sorgenti Guadagno di SINBAD rispetto alle sorgenti convenzionali:convenzionali:
=2 m Globar =100 m Hg lamp Theory: A. Marcelli et al. 1998, Nuovo Cimento 20, 463
0.1
2
4
6
81
2
4
6
810
2
I SR
/ I
BB
4.03.53.02.52.01.51.00.5
Pinhole diameter (mm)
Experimental values Theory
m
m
APPLICAZIONI DELLA LUCE DI SINCROTRONE
Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR
assorbimento IR dacariche libere + stati
legati
nel Bi2Sr2CuO6 con Tc = 20 K (Lupi et al., PRB 2000)
Riflettività di micro-cristalli nel lontano IR
Synchrotronbeam
Interferometer
IR detector
White light
X-Y microstages
SchwarzschildObjectives
Sample visualisation
Adjustable aperture
Adjustable aperture
Microscopia IRMicroscopia IR
100bb
sync
Flux
Flux
Simulazione del flusso di fotoni attraverso un microscopio IRal massimo della risoluzione spaziale
Globar
Sincrotrone
Rapporto S/N (Dumas, LURE)
Spot: 10 m, Res. 8 cm-1 Acquisizione : 2 min.
S/N > 50
Microspettroscopia InfrarossaMicrospettroscopia Infrarossa
La scala dei 10 m:•Inclusioni nei minerali •Pollini•Biomasse•Linfociti•Cellule ematiche•Virus I
ntensity
SINBAD spot
Analisi non distruttive di tessuti e celluleAnalisi non distruttive di tessuti e cellule
Mapping delle specie chimiche nei sistemi biologici con analisi non distruttive
Variazioni conformazionali in aggregati proteici subcellulari.
Spettroscopia single-cell e imaging delle componenti durante il ciclo cellulare
The Journal of Neuroscience, April 15, 2002, 22(8):2989-2997
Molecular Changes of Preclinical Scrapie Can Be Detected by Infrared
Spectroscopy Janina Kneipp, Michael Beekes, Peter
Lasch, and Dieter Naumann PG3, Robert Koch-Institut, D-13353 Berlin, Germany
Adapted from N.Jamin, P.Dumas, J.Moncuit, W-H.Fridman, J-L.Teillaud, G.L.Carr, G.P.Williams
Proc.Natl.Acad.USA 95, 4837-4840 (1998)
Effetti della IRSR sui processi di ancoraggio nei cristalli liquidi Prof. E. Barna (Bucharest University)
Cristalli liquidi in una matrice di polimeri
V=0V=10 VRf =1 KHz
V=30 VRf = 1 KHz
~ 50 m
microspettroscopia IRSR di marmi antichi
Konstantina KostourouUniv. di Roma III
Roma, Chiesa di S.Saba (1205 A. D.). Capitello in porfido verde greco
(Lapis Lacedaemonius)
Sezione sottile (~ 30 m)
Il microscopio IR sulla linea Sinbad
• Un pinhole da 50 m seleziona zone differenti nell’nclusione• Tutta l’inclusione viene mappata
•Comprensione dei processi di deterioramento•Progetto di restauro
S/N ~ 100
Mapping delle inclusioni presenti nel marmo
500 m
Forza
Diamanti
Gasket
Campione
Dimensioni del campione:
300 m
spettroscopia FIR in celle ad incudine di diamante
range di pressioni : 0-10 GPa
Assorbimenti fononici