Pobierz - Archives of Foundry Engineering

22/14
Archives of Foundry,
Year 2004, Volume 4, № 14
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
PROMIENIOWANIE SYNCHROTRONOWE JAKO
UNIWERSALNE NARZĘDZIE BADAWCZE – PRÓBY JEGO
WYKORZYSTANIA W BADANIACH STRUKTURY ŻELIWA
P.HOFFMANN1 , D.SCHMEIßER 2 , M.S.SOIŃSKI3 , T.WARCHALA 4
LS Angewandte Physik-Sensorik, BTU Cottbus, Erich-Weinert-Str. 1,
03046 Cottbus, RFN
3, 4
Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej,
Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa
1, 2
STRESZCZENIE
W artykule omówiono istotę powstawania promieniowania synchrotronowego
oraz jego właściwości. Na przykładzie źródła promieniowania w BESSY II (Berlin)
podano niektóre dane charakteryzujące funkcjonowanie synchrotronu i pierścienia
akumulacyjnego. Przykładowo przedstawiono próby wykorzystania promieniowania
synchrotronowego w badaniach struktury żeliwa.
Key words: synchrotron radiation, cast iron
1. WPROWADZENIE
Promieniowanie synchrotronowe jest promieniowaniem elektromagnetycznym –
rozchodzi się w postaci fal. Obejmuje ono ważną część widma elektromagnetycznego:
od podczerwieni (IR), poprzez ultrafiolet (UV), ultrafiolet próżniowy (VUV), aż do
zakresu rentgenowskiego. Promieniowanie synchrotronowe jest oczywiście widzialne
w pewnym zakresie długości fal. Widmowe właściwości promieniowania
synchrotronowego są charakteryzowane jego energią (mierzoną w elektronowoltach)
1
dypl. fizyk
prof. dr hab.
3
dr hab. inż., prof. ndzw. PCz
4
doc.dr inż.
2
170
lub równowartościowo jego częstotliwością, względnie długością fali. Im krótsza jest
długość fali, tym większa energia promieniowania.
Nazwa promieniowania pochodzi stąd, że po raz pierwszy zaobserwowano je
(przypadkowo) w synchrotronie General Electric w Schenectody w roku 1947 [1].
Istnienie takiego promieniowania przewidywano już jednak wcześniej [1, 2]. Przez
długi czas promieniowanie synchrotronowe traktowano jako uciążliwy „produkt
uboczny”, ponieważ powstaje ono w akceleratorach w postaci magnetycznego
promieniowania hamującego.
Promieniowanie synchrotronowe powstaje wówczas, gdy lekko naładowane
cząstki np. elektrony, porus zające się prawie z prędkością światła, zostają wychylone
przez magnes [2]. Promieniowanie zawsze jest oddawane do przodu, tak jak wirujące
koło samochodu rozrzuca krople wody. Do najważniejszych zalet promieniowania
synchrotronowego należą:
silne zogniskowanie;
spolaryzowanie;
dokładna wyliczalność;
pulsacyjny charakter;
wysoka intensywność;
duży zakres energetyczny.
Szczególnie należy podkreślić, że promieniowanie synchrotronowe posiada zaletę
wysokiej intensywności, dostępnej w szerokim zakresie widmowym, oraz dobrego
ogniskowania. Góruje ono pod względem wielu właściwości nad promieniowaniem
konwencjonalnym, takim jak generowanym przez rury rentgenowskie lub lampy
wyładowcze i w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego jest praktycznie
bezkonkurencyjne.
Znajdujące się najbliżej Polski źródło promieniowania synchrotronowego to
BESYY II w berlińskiej dzielnicy Adlershof. BESSY jest uproszczonym skrótem pełnej
nazwy w języku niemieckim i oznacza w dosłownym tłumaczeniu Berliński Pierścień
Akumulujący
Elektrony
–
przedsiębiorstwo
wytwarzania
promieniowania
synchrotronowego.
BESSY II należy do trzeciej generacji, została wprowadzona do badań w styczniu
1999 roku. Posiada symbol „dwa”, ponieważ ta nowa placówka zastąpiła BESSY I,
funkcjonującą w Berlinie – Wilmersdorfie do końca 1999 r.
2. WYTWARZANIE PROMIENIOWANIA SYNCHROTRONOWEGO
Dobrym przykładem współczesnych źródeł promieniowania synchrotronowego
jest układ akceleratorowy w BESSY II [2]. Uwalnianie elektronów odbywa się
podobnie jak w lampie telewizyjnej (rys. 1). W wysokiej próżni z żarzącej się katody
uwalniane są elektrony, a następnie przyspieszane przez napięcie anodowe rzędu 100
keV. Drugi stopień przyspieszenia zapewnia mikrotron, wyposażony w akcelerator
linearny wysokiej częstotliwości. W polu magnetycznym mikrotronu elektrony
uzyskują energię 50 milionów elektronowoltów (50 MeV). Cząstki przemieszczają się
171
następnie do komory próżniowej synchrotronu. Jest to zamknięty profil, w postaci
Rys. 1. Działo elektronowe, akcelerator i pierścień akumulacyjny. Schemat
wytwarzania promieniowania synchrotronowego w BESSY II [2]
Fig. 1. The electron gun, accelerator, and the storage ring. A scheme
of generating the synchrotron radiation at BESSY II [2]
pierścienia, o obwodzie 96 m i przekroju 4 x 8 cm. Elektrony utrzymywane są na
orbicie wewnątrz rury próżniowej przy pomocy silnych magnesów i dzięki zmiennym
polom rezonatora wnękowego przyspieszane aż do uzyskania energii końcowej
o wartości 1,7 GeV. Aby mimo takiego wzrostu energii elektrony utrzymywały się na
swojej orbicie, pole magnetyczne zwiększa się synchronicznie w stosunku do energii.
Dziesięć razy na sekundę miliardy elektronów są przyspieszane aż do uzyskania energii
końcowej [2]. Następnie przy pomocy kanału transferowego są one przekazywane do
pierścienia akumulacyjnego.
Obwód pierścienia akumulacyjnego wynosi 240 m. Znajduje się on w środku
okrągłej hali eksperymentalnej, w tunelu promieniochronnym. Określenie „pierścień”
jest pewnym uproszczeniem, ponieważ posiada on 16 prostych segmentów. W 14 z nich
zainstalowano periodyczne struktury magnetyczne wigglery i undulatory – a także
magnesy nadprzewodzące, w pozostałych mieszczą się elementy iniekcyjne i rezonatory
wysokiej częstotliwości [2]. Elektrony poruszają się w kolistej rurze pró żniowej przez
wiele godzin, z prędkością bliską prędkości światła, okrążając pierścień akumulacyjny
około milion razy na sekundę.
Wszyscy użytkownicy promieniowania synchrotronowego pragną mieć „więcej
światła”, ponieważ dzięki większemu natężeniu eksperymentator może uzyskać krótszy
czas pomiaru, jednoczesność pomiaru większej ilości wielkości fizycznych, możliwość
badania najmniejszych ilości substancji oraz większą rozdzielczość [2]. Natężenie
promieniowania synchrotronowego można zwiększyć poprzez umieszczenie na
prostoliniowych odcinkach pierścienia akumulacyjnego urządzeń wytwarzających układ
172
pól elektromagnetycznych, które nadają elektronom tylko przyspieszenia poprzeczne,
nie powodując przy tym żadnego odchylenia wiązki. Strumień elektronów na długo ści
wielu metrów uzyskuje kształt węża. Każdy „łuk” wysyła promieniowanie ku przodowi,
w tym samym kierunku, wskutek czego poszczególne wiązki światła nakładają się na
siebie. Im więcej „łuków” znajduje się na drodze elektronów, tym większa jest
intensywność promieniowania. Można tutaj stosować wibratory magnetyczne, zwane
wigglerami oraz magnetyczne wibratory interferencyjne, zwane undulatorami.
Undulatory dają największą użyteczną luminację.
Elektrony poruszające się w pierścieniu akumulacyjnym BESSY II wytwarzają
prąd elektryczny o natężeniu maksymalnie 0,4 A [2]. Inaczej mówiąc, w pierścieniu
magazynującym biegnie 2 x 1012 elektronów. Mimo, że biegną one w niezwykle
wysokiej próżni (10-10 hPa), kolidują z niewielką ilością pozostałych molekuł gazowych
i w ten sposób ulegają likwidacji. Ponieważ wraz z upływem czasu prąd słabnie,
pierścień akumulacyjny należy uzupełnić nowymi elektronami, w przypadku BESSY II
– z uwagi na wysoki prąd synchrotronu – proces ten trwa zaledwie kilka minut.
Energia, którą traci strumień elektronów podczas emisji „światła
synchrotronowego”, wyrównywana jest w czterech rezonatorach wnękowych podczas
każdego obiegu. Jest to możliwe dzięki współdziałaniu z polem elektromagnetycznym
drgającym w tych rezonatorach 500 milionów razy n a sekundę. Taki rodzaj
przyspieszenia powoduje, że elektrony grupują się w „wiązki” tzw. „bunches”. Za
każdym razem, gdy taka wiązka przebiega przed wylotem promieniowania (tzn. rurą
emisyjną promieniowania) można zaobserwować błysk światła. W BESSY trwa o n 0,02
nanosekundy. Tak więc elektrony w pierścieniach akumulacyjnych krążą po orbicie
w „paczkach” o długości dostrojonej do częstotliwości rezonatorów wnękowych. Dzięki
strukturze czasowej emitowania promieniowania, tzn. jego impulsowemu charakterowi,
rozszerzają się możliwości zastosowań do badań procesów dynamicznych (np.
w żywych komórkach), w technikach stroboskopowych, badaniach radiometrycznych,
do kalibrowania teleskopów kosmicznych.
3. RURY EMIS YJNE
Promieniowanie synchrotronowe, emitowane jako widmo szerokopasmowe –
a więc zawierające promieniowanie o różnych długościach fali – opuszcza pierścień
akumulacyjny przez rury emisyjne o długości do 40 m [2]. Przemieszcza się przy
użyciu zwierciadeł i monochromatorów do poszczególnych sekcji eksperymentalnych
(rys. 2). Monochromatory umożliwiają kontrolowane zmiany długości fal. Za pomocą
wklęsłych zwierciadeł można uzyskać ogniskowanie promieniowania świetlnego.
Ponieważ z pierścieniem akumulacyjnym połączono wiele rur emisyjnych
i monochromatorów, możliwe jest jednoczesne prowadzenie badań, których parametry
dobrano specjalnie do eksperymentu.
173
Rys. 2. Typowe doprowadzenie promieniowania synchrotronowego
do stanowiska badawczego [2]
Fig. 2. Typical conveying of synchrotron radiation to the exp erimental stand [2]
W BESSY II można zainstalować 70 stanowisk [2], przy których zespoły badawcze
niezależnie od siebie mogą prowadzić rozmaite badania. Przez 24 godziny na dobę
przez 365 dni w roku. I o jeden dzień dłużej w latach przestępnych...
4. ZAKRES ZASTOSOWANIA
Promieniowanie synchrotronowe jest stosowane w wielu dziedzinach, od biologii,
poprzez radiometrię, fizykę atomową, fizykę ciała stałego, fizykę powierzchni, chemię,
systemy magnetyczne, mikroskopię rentgenowską, badania materiałowo -strukturalne,
aż do litografii i mikrotechnologii [2].
5. WSTĘPNE PRÓBY WYKORZYSTANIA PROMIENIOWANIA
SYNCHROTRONOWEGO W BADANIACH STRUKTURY ŻELIWA
Na rysunku 3 pokazano wydzielenia grafitu kulkowego i wermikularnego,
występujące w żeliwie (C = 3,60%; Mn = 0,086%; Si = 2,78%; P = 0,039%; S =
0,011%; Ce = 0,040%; Bi = 0,0008%). Zdjęcia wykonano przy użyciu mikroskopu
elektronowego fotoemisyjnego.
174
a)
b)
Rys. 3. Wydzielenia grafitu kulkowego (a) i wermikularnego (b). M ikroskop elektronowy
fotoemisyjny
Fig. 3. Precipitates of the nodular (Fig. a) and vermicular (Fig. b) graphite, photoemission
electron microscope (PEEM )
a)
b)
c)
d)
Rys. 4. Rozkład powierzchniowy węgla (a), żelaza (c) i tlenu (d) w wydzieleniach grafitu
„eksplodowanego” i jego pobliżu (mikroanalizator rentgenowski) oraz obraz
elektronowo-mikroskopowy uzyskany za pomocą elektronów wtórnych (b)
Fig. 4. Surface distribution of carbon (Fig. a), iron (Fig. c), and oxygen (Fig. d) within the
“exploded” graphite precipitates and their neighborhood (X-ray microprobe
analyzer) and the electron microscopic image obtained using the secondary electron
imaging (Fig. b)
175
Na rysunku 4 pokazano wyniki badania rozkładu powierzchniowego węgla, żelaza
i tlenu w wydzielaniu grafitu „eksplodowanego” i jego pobliżu, uzyskane za pomocą
mikroanalizatora rentgenowskiego oraz obraz uzyskany za pomocą elektronów
wtórnych.
6. PODSUMOWANIE
Promieniowanie synchrotronowe – z uwagi na szereg przytoczonych zalet –
wydaje się być bardzo nowoczesnym narzędziem badawczym i to w wielu dziedzinach.
Z powodzeniem może także znaleźć zastosowanie w badaniach tworzyw odlewniczych.
LITERATURA
[1]
[2]
J. Gronkowski: Promieniowanie synchrotronowe – nowe perspektywy rozwoju
metod rentgenowskich. Postępy Fizyki. T. 37, 1986, z. 6, s. 513 – 526.
R.
Bost:
BESSY.
Berliner
Elektronenspeicherring-Gesellschaft
für
Synchrotronstrahlung m.b.H. Berlin, 1999.
SYNCHROTRON RADIATION AS AN UNIVERSAL RESEARCH
INSTRUMENT – A TRIAL OF APPLYING IT TO THE CAST IRON
STRUCTURE EXAMINING
SUMMARY
The paper presents the essence of the synchrotron radiation generating and its
properties. Taking as an example the radiation source at BESSY II, Berlin, there have
been quoted some data describing the work of the synchrotron and the storage ring. An
exemplary trial of applying the synchrotron beam to the cast iron structure examining
has been presented.
Recenzował Prof. Zbigniew Konopka