I raggi X e le molteplici potenzialità della radiazione di sincrotrone

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La spettroscopia consiste nello studio della materia attraverso l’interazione con la radiazione elettromagnetica. La luce infatti, a seconda delle regioni spettrali coinvolte, ha comportamenti diversi in base alla materia con cui interagisce, caratterizzata da specifiche proprietà elettroniche, vibrazionali (ovvero relative al reticolo atomico) e di spin, che è quindi in grado di indagare.  Idealmente, quindi, per poter studiare in modo completo un sistema mediante metodi spettroscopici, bisognerebbe disporre di una
sorgente di luce di lunghezza d’onda variabile, dai raggi X all’infrarosso (10^-10-10^-5 m).  Inoltre, l’impiego di radiazione elettromagnetica consente di esplorare la struttura reticolare fornendone, in molti casi, una immagine microscopica. Per raggiungere tale scopo, è necessario sfruttare la diffrazione di luce con lunghezze d'onda comparabili con la separazione atomica (circa 0,1 nm). Questo intervallo spettrale cade appunto nelle energie corrispondenti ai raggi X, il cui impiego, in spettroscopia e diffrazione, è quindi in grado di fornire una informazione diretta sulle proprietà strutturali ed elettroniche della materia. 

Elettra: il Sincrotrone italiano a Trieste

Lo sviluppo dei laser e l’impiego dell’ottica non lineare ha reso possibile l’utilizzo di sorgenti di luce con uno spettro variabile dal medio infrarosso al vicino ultravioletto. Tuttavia, per disporre di radiazione X intensa e collimata in un ampio intervallo spettrale, è necessario ricorrere alla luce di sincrotrone.

Per radiazione di sincrotrone si intende la radiazione emessa da particelle cariche che sono accelerate radialmente, ovvero con un’accelerazione ortogonale rispetto alla loro velocità. L’energia emessa sotto forma di luce sarà direttamente proporzionale alla quarta potenza della velocità della particella e inversamente proporzionale al raggio della sua orbita. La luce di sincrotrone costituisce uno dei limiti nell’energia finale delle particelle impiegate nei grandi acceleratori come LEP al CERN; tuttavia essa può essere impiegata come sorgente di luce in diversi esperimenti. Essa infatti dispone di numerose vantaggiose proprietà: la possibilità di cambiare lunghezza d’onda all’interno di un intervallo che copre dalle microonde ai raggi X duri; una elevata brillanza, ovvero i fotoni risultano essere collimati spazialmente; un flusso elevato, ovvero il fascio presenta una elevata intensità consentendo di studiare anche campioni con bassa concentrazione o bassa sezione d’urto; la durata temporale degli impulsi può raggiungere anche  decine di picosecondi consentendo di condurre esperimenti con una simile risoluzione temporale.

La produzione di luce di sincrotrone avviene in apposite macchine, in cui gli elettroni vengono accelerati a velocità prossime a quelle della luce e la radiazione emessa viene diretta in beamlines (letteralmente "linea del fascio"), in cui vengono svolti i diversi esperimenti. Generalmente, la produzione degli elettroni avviene nel LINAC; qui le particelle sono impacchettate in “bunches ” (pacchetti) e accelerate prima di essere iniettate nel booster (iniettore). Questo pre-acceleratore permette agli elettroni di raggiungere energie dell’ordine del GeV e prima di essere inviati nell’anello di accumulazione. Qui raggiungono le velocità desiderate utilizzando cavità acceleratrici e sono deviati mediante l’applicazione di campi magnetici grazie all’impiego di ondulatori, wriggler e quadrupoli. Questi anelli hanno diametri che variano dalla decina fino a diverse centinaia di metri. Tipicamente, tanto più è elevata l'energia degli elettroni, tanto più grande è l’anello. I tre anelli esistenti più grandi sono dotati di una circonferenza di circa 1 km: l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) di Grenoble accelera elettroni a una energia di 6 GeV; l'APS (Advanced Photon Source) di Chicago, a 7 GeV; l'SPring8 (Super ring 8) di Tsukuba, a 8 GeV.

Questi laboratori ospitano numerose beamlines, che si differenziano per il tipo di esperimento condotto e per i campioni analizzati. In particolare, la radiazione di sincrotrone costituisce un potente mezzo di indagine per la diagnostica dei beni culturali con applicazioni che vanno dalla microtomografia X, che consente un’analisi strutturale non invasiva, alla spettroscopia di fotoemissione, che permette di studiare il sistema guardandone i livelli elettronici.

Alcuni riferimenti bibliografici:

- S. Mobilio, F. Boscherini, C. Meneghini (Editors), Synchrotron Radiation: Basics, Methods and Applications, Springer (2015).
- C. Mariani, G. Stefani, Photoemission spectroscopy: fundamental aspects, in Synchrotron Radiation, Springer (2015).
- A. Hofmann, The Physics of Synchrotron Radiation, Cambridge University Press (2009). 
- H. Wiedemann, Synchrotron Radiation, Springer (2002).
- What is a synchrotron? http://www.esrf.eu/about/synchrotron-science/synchrotron