Zamysłem inicjatorów wydania tomu było udostępnienie młodym uczonym informacji o kierunkach badań, które mogą być prowadzone w ośrodku synchrotronowym, a także włączenie ich do społeczności użytkowników promieniowania synchrotronowego i twórców przyszłości Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS.

Udostępnienie użytkownikom, w 2018 roku, pierwszych linii pomiarowych NCPS SOLARIS w Krakowie było przełomowym wydarzeniem dla polskiego środowiska fizyków i chemików ciała stałego. Ułatwiło dostęp do nowoczesnych metod badawczych opartych na wykorzystaniu tego promieniowania szerszej grupie badaczy, ale też stworzyło zadanie zaproponowania programu badań naukowych, pozwalającego wykorzystać w pełni unikalne właściwości urządzenia, a także tworzyć kolejne linie badawcze.

Książka zawiera wprowadzenie do fizyki promieniowania synchrotronowego, metod jego wytwarzania i konstrukcji jego źródeł oraz zbiór rozdziałów przedstawiających możliwości wykorzystania tego promieniowania jako narzędzia w różnych dziedzinach nauk przyrodniczych.

Publikacja adresowana jest do studentów wyższych lat studiów kierunków przyrodniczych, doktorantów, a także osób niezwiązanych dziś z zastosowaniami promieniowania synchrotronowego, ale chcących zapoznać się z tą tematyką.

Wstęp      

CZĘŚĆ I. ŹRÓDŁA PROMIENIOWANIA

ROZDZIAŁ 1. Podstawy fizyczne i techniczne budowy źródeł promieniowania synchrotronowego (Edward A. Görlich, Robert Nietubyć)

1.1. Wstęp                  

1.2. Zjawisko promieniowania synchrotronowego                    

1.3. Budowa synchrotronowych źródeł promieniowania           

1.3.1. Akceleratory elektronów            

1.3.2. Optyka elektronowa pierścieni akumulujących               

1.3.3. Czas życia wiązki                      

1.4. Promieniowanie z magnesu odchylającego .                      

1.5. Urządzenia wstawkowe                

1.5.1. Ruch elektronu w undulatorze płaskim .             

1.5.2. Składowa podstawowa i interferencja fal wypromieniowywanych w undulatorze 

1.5.3. Polaryzacja promieniowania emitowanego w undulatorze płaskim           

1.5.4. Rozkład widmowy promieniowania undulatora płaskiego           

1.5.5. Undulator spiralny         

1.5.6. Urządzenia wstawkowe – podsumowanie           

1.6. Podsumowanie                 

Bibliografia                 

CZĘŚĆ II. SPEKTROSKOPIA         

ROZDZIAŁ 2. Spektroskopia fotoemisyjna z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego

(SR PES) (Elżbieta Guziewicz, Bronisław A. Orłowski)           

2.1. Wstęp      

2.2. Rys historyczny                

2.3. Teoria zjawiska fotoemisji i kluczowe zagadnienia .                      

2.4. Fotoemisja rezonansowa   

2.5. Przykłady eksperymentu fotoemisji rezonansowej .           

2.6. Inne przykłady zastosowania zmiennej energii fotonów   .              

2.7. Podsumowanie                 

Bibliografia

ROZDZIAŁ 3. Kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna (ARPES) (Bogdan J. Kowalski)                      

3.1. Wstęp

3.2. Rys historyczny                

3.3. Podstawowe informacje o technice eksperymentu ARPES 

3.4. Badanie struktury pasmowej metodą ARPES

3.4.1. Przykład 1: struktura pasmowa powierzchni GaN(0001)-(1x1) .  

3.4.2. Przykład 2: topologiczny izolator krystaliczny (Pb,Sn)Se            

3.5. Podsumowanie      

Bibliografia     

ROZDZIAŁ  4.  Wysokorozdzielcza spektroskopia rentgenowska w  badaniach układów  che- micznych (Anna Wach, Jakub Szlachetko)       

4.1. Wprowadzenie

4.2. Rezonansowa rentgenowska spektroskopia emisyjna (z ang. Resonant X-ray Emission

Spectroscopy)

4.2.1. Podstawy fizyczne         

4.2.2. Metodyka          

4.3. Zastosowanie rezonansowej rentgenowskiej spektroskopii emisyjnej do badania układów chemicznych

4.3.1. Struktura elektronowa tlenków metali przejściowych      

4.3.2. Pomiary czasowo-rozdzielcze do badania procesów chemicznych . .        

4.4. Podsumowanie      

Bibliografia     

ROZDZIAŁ 5. Spektroskopia Absorpcyjna Promieniowania Rentgenowskiego

5.1. Wstęp (Krystyna Ławniczak-Jabłońska) 

5.2. Rys historyczny (Krystyna Ławniczak-Jabłońska)

5.3. Kluczowe zagadnienia spektroskopii absorpcyjnej (Marcin Klepka)           

5.4. Szkic opisu teoretycznego zjawiska absorpcji promieniowania rentgenowskiego

5.4.1. Wprowadzenie (Krystyna Ławniczak-Jabłońska)

5.4.2. Struktura subtelna w widmach absorpcji rentgenowskiej (XAFS) (Iraida N. Demchenko)

5.5. Struktura bliska krawędzi absorpcji – XANES (Anna Wolska)       

5.5.1. Metody analizy widm XANES bazujące na eksperymencie (Anna Wolska)         

5.5.1.1. Analiza podstawowych składowych oraz dopasowanie liniowej kombinacji składowych (Marcin Klepka)

5.5.2. Metody analizy widm XANES bazujące na teorii

5.5.2.1. Gęstości stanów obliczane z pierwszych zasad (Anna Wolska) 

5.5.2.2. Rozpraszanie wielokrotne w przestrzeni rzeczywistej (Anna Wolska)   

5.5.2.3. Struktury anizotropowe (Iraida N. Demchenko)

5.5.2.4. XANES związków międzymetalicznych (Paweł Zajdel, Andrzej Kisiel)

5.6. Rozciągnięta subtelna struktura progu absorpcji – EXAFS 

5.6.1. Wprowadzenie (Krystyna Ławniczak-Jabłońska)

5.6.2. Ogólne przedstawienie pakietu DEMETER do analizy EXAFS (Iraida N. Demchenko)

5.6.3. Pakiet Demeter – przykłady zastosowania (Anna Wolska)

5.6.4. Pakiet EXCURVE – przykłady zastosowania (Monika Walczak)

Bibliografia     

ROZDZIAŁ 6. Magnetometria selektywna pod względem pierwiastków składowych – XMCD i XLMD (Iwona A. Kowalik-Arvaniti)

6.1. Wstęp

6.2. Zarys historyczny rozwoju techniki XMCD

6.3. Kluczowe zagadnienia techniki

6.4. Spektroskopia absorpcyjna z kontrastem magnetycznym – krótki opis teoretyczny

6.4.1. Głębokość próbkowania oraz teoretyczne modelowanie widm XMCD i XLMD w trybie TEY      

6.4.2. Efekt saturacji w trybie TEY      

6.4.3. Teoretyczne podstawy spektroskopii XMCD i XLMD    

6.4.4. Obliczenia ab initio widm eksperymentalnych

6.5. Spektroskopia absorpcyjna z kontrastem magnetycznym – opis eksperymentu z przy- kładami        

6.5.1. Źródła promieniowania rentgenowskiego i polaryzacja światła 

6.5.2. Plan linii pomiarowej

6.5.3. Reguły sum i interpretacja wyników

6.5.4. Dichroizm z użyciem liniowo spolaryzowanego światła

6.5.5. Rozcieńczone półprzewodniki magnetyczne

6.6. PEEM jako narzędzie do badań XMCD i XLMD z rozdzielczością przestrzenną

6.7. Podsumowanie      

Bibliografia     

ROZDZIAŁ 7. Zastosowanie promieniowania synchrotronowego z zakresu UV i widzialnego do badania właściwości biomateriałów (Krzysztof Polewski)    

7.1. Wstęp

7.2. Oddziaływanie promieniowania synchrotronowego z zakresu UV i widzialnego z materią  

7.2.1. Mechanizm zjawiska absorpcji i emisji światła. Schemat Jabłońskiego    

7.2.2. Opis ilościowy zjawiska absorpcji          

7.2.3. Zasada pomiaru absorpcji próbki

7.3. Pomiary spektroskopowe

7.3.1. Pomiary absorpcji w zakresie UV i próżniowego UV      

7.4. Światło spolaryzowane      

7.4.1. Widma dichroizmu kołowego (CD)        

7.4.2. Układ pomiarowy do obserwacji widm CD        

7.5. Zjawisko fluorescencji

7.5.1. Opis zjawiska

7.5.2. Pomiary fluorescencji

7.5.3. Czasy życia fluorescencji

7.5.4. Metoda pomiaru

7.6. Mikrospektrofotometria

7.7. Podsumowanie      

Bibliografia     

CZĘŚĆ III. DYFRAKCJA

ROZDZIAŁ 8. Synchrotronowa rentgenografia polikrystaliczna (Paweł Piszora, Jolanta Darul)

8.1. Wstęp

8.2. Rys historyczny    

8.3. Kluczowe zalety promieniowania synchrotronowego w badaniach materiałów proszkowych           

8.4. Przykłady dyfrakcyjnych badań materiałów polikrystalicznych z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego       

8.4.1. Badania strukturalne w warunkach ekstremalnych           

8.4.2. Mapowanie struktury i mikrostruktury w skali submikronowej    

8.4.3. Defekty i odkształcenia sieciowe

8.4.4. Mikro- i nanokrystalografia

8.4.5. Czasowo-rozdzielcze badania strukturalne

8.4.6. Wysokorozdzielcze pomiary materiałów proszkowych

8.4.7. Dyfrakcja in situ i operando na materiałach polikrystalicznych

8.4.8. Dyfraktometria proszkowa sprzężona z innymi technikami          

8.5. Podsumowanie      

Bibliografia     

ROZDZIAŁ 9. Wysokorozdzielcza dyfraktometria i reflektometria rentgenowska na przykładzie azotku galu (Ewa Grzanka, Mikołaj Grabowski, Michał Leszczyński, Marcin Kryśko, Jarosław Domagała, L. Kirste)

9.1. Wstęp – dlaczego azotek galu?

9.2. Dyfrakcja rentgenowska – podstawj

9.2.1. Rozwój teorii dynamicznej         

9.3. Reflektometria – podstawy

9.3.1. Współczynnik załamania materiałów dla promieni rentgenowskich         

9.3.2. Teoria dynamiczna reflektometrii dla warstw gładkich

9.3.3. Warunki brzegowe dla polaryzacji σ

9.3.4. Warunki brzegowe dla polaryzacji π

9.3.5. Uwzględnienie szorstkości międzypowierzchni

9.4. Dyfraktometr wysokorozdzielczy

9.4.1. Budowa dyfraktometru   

9.4.2. Część formująca wiązkę rentgenowską

9.4.3. Uchwyt próbki – stolik

9.4.4. Analizator

9.4.5. Liczniki 

9.4.6. Mody pracy dyfraktometru         

9.5. Sposób pomiarów z wykorzystaniem dyfrakcji wysokorozdzielczej

9.5.1. Sposób zbierania krzywych dyfrakcyjnych i map węzłów sieci odwrotnej

9.5.2. Sposób pomiaru promienia krzywizny próbki (R) oraz geometrii cięcia powierzchni podłoża, czy asymetrii płaszczyzn wzrostu warstwy względem jej powierzchni

9.5.3. Zalecane konfiguracje w pomiarach dyfrakcji wysokorozdzielczej

9.6. Interpretacja wyników doświadczalnych    

9.6.1. Krzywa odbić (RC)

9.6.2. Precyzyjny pomiar parametrów sieciowych        

9.7. Przykłady innych badań    

Dodatek

A.9.1. Elementy teorii dynamicznej      

A.9.2. Przypadek dwóch fal

A.9.3. Równanie dyspersji

A.9.4. Warunki brzegowe

A.9.5. Krzywa dyspersji          

A.9.6. Rozwiązanie równania dyspersji z warunkiem brzegowym         

A.9.7. Wartości amplitud D0 i Dh wewnątrz i na zewnątrz kryształu     

Bibliografia     

ROZDZIAŁ 10. Rentgenowskie metody dyfrakcyjne badań strukturalnych materiałów mono- i polikrystalicznych w warunkach wysokiego ciśnienia (Wojciech Paszkowicz, Damian Paliwoda)      

10.1. Wstęp     

10.2. Rys historyczny

10.3. Metody badań wysokociśnieniowych      

10.4. Warunki hydrostatyczne w badaniach wysokociśnieniowych

10.5. Rola promieniowania synchrotronowego w dyfrakcyjnych badaniach wysokociśnieniowych. Stacje pomiarowe    

10.6. Komory ciśnieniowe jako podstawowe narzędzie badawcze. Rodzaje komór  10.6.1. Konstrukcja komór ciśnieniowych z kowadłami diamentowymi

10.6.2. Konstrukcja komór typu LAC

10.7. Badania materiałów polikrystalicznych

10.8. Badania monokryształów

10.8.1. Podstawy metodyki pomiarowej           

10.8.2. Komora DAC w badaniach monokryształów

10.8.3. Analiza obrazu dyfrakcyjnego 

10.9. Podsumowanie   

Dodatek 1  

Dodatek 2                                                                                                   

Dodatek 3                                                                                                   

Bibliografia                                                                                                 

ROZDZIAŁ 11. Metoda radialnej funkcji dystrybucyjnej uzyskiwanej z pomiarów dyfrakcyjnych (Zbigniew A. Kaszkur)         

11.1. Wstęp                                                                                               

11.2. Rys historyczny                                                                                 

11.3. Założenia modelowe i podstawy rentgenowskiej metody RDF              

11.3.1. Normowanie mierzonego natężenia do czynników atomowych          

11.3.2. Błędy i metody korekcji funkcji RDF i normowania                          

11.4. Ograniczenia teoretyczne metody RDF                                               

11.4.1. Wpływ na RDF zastosowania czynników uzbieżniających                

11.4.2. Inne metody korekcji obliczanej radialnej funkcji dystrybucyjnej       

11.5. Procedura obliczeniowa dla materiałów budowanych przez atomy wielu rodzajów          

11.6. Metody analizy radialnej funkcji dystrybucyjnej                                  

11.7. Przykładowe zastosowania                                                                 

11.8. Podsumowanie                                                                                  

Bibliografia                                                                                               

ROZDZIAŁ 12. Fotokrystalografia monokryształów małych cząsteczek i makromolekuł w kon- tekście badań synchrotronowych (Katarzyna N. Jarzembska, Radosław Kamiński)             

12.1. Wprowadzenie i komentarz historyczny                                              

12.2. Czynnik struktury i mapy Fouriera                                                     

12.3. Wyposażenie linii synchrotronowych dedykowanych badaniom fotokrystalograficznym

12.3.1. Metoda monochromatyczna                                                            

12.3.2. Metoda Lauego                                                                               

12.3.3. Lasery na swobodnych elektronach                                                  

12.4. Obróbka danych                                                                                

12.4.1. Dane dla makromolekuł                                                                  

12.4.2. Dane polichromatyczne dla małych cząsteczek                                 

12.4.3. Metoda stosunków intensywności                                                    

12.5. Ilościowy opis modelu struktury                                                         

12.6. Wybrane wyniki badań fotokrystalograficznych                                  

12.6.1. Badania układów przełączalnych metodą statyczną                           

12.6.2. Fotokrystalografia makromolekuł                                                    

12.6.3. Metody monochromatyczne dla kryształów małych cząsteczek

12.6.4. Metoda Lauego dla małych cząsteczek                                            

12.7. Podsumowanie                                                                                  

Bibliografia                                                                                               

ROZDZIAŁ 13. Zastosowanie promieniowania synchrotronowego w krystalografii białek (Zbigniew Dauter, Mariusz Jaskólski)                                                                                                  

13.1. Wstęp                                                                                               

13.2. Rys historyczny                                                                                

13.3. Główne problemy na drodze do struktury kryształu                             

13.4. Etapy rozwiązywania struktury kryształu w aspekcie pomiarów synchrotronowych         

13.4.1. Otrzymywanie i własności kryształów białek                                   

13.4.2. Techniki kriogeniczne w krystalografii białek                                   

13.4.3. Pomiar danych dyfrakcyjnych                                                         

13.4.4. Problem fazowy w przypadku nowych struktur                                 

13.4.5. Udokładnianie atomowych modeli struktur krystalicznych makromolekuł 

13.4.6. Rola synchrotronów w genomice strukturalnej                                  

13.4.7. Synchrotronowa krystalografia Lauego                                            

13.4.8. Uszkodzenia radiacyjne kryształów białek

13.5. Mapy gęstości elektronowej i ich interpretacja

13.6. Ocena jakości struktur krystalicznych makromolekuł  

13.6.1. Rozdzielczość danych dyfrakcyjnych

13.6.2. Jakość eksperymentalnych danych dyfrakcyjnych

13.6.3. Wskaźniki rozbieżności R i Rfree

13.6.4. Odstępstwo od wzorców stereochemicznych

13.6.5. Atomy wodoru w modelach makromolekuł 

13.7. Postęp krystalografii makromolekuł na przestrzeni ostatnich lat

13.8. Perspektywy zastosowań promieniowania synchrotronowego w krystalografii białek

13.8.1. Źródła synchrotronowe nowej generacji 

13.8.2. Lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach (XFEL) 

13.8.3. Synchrotronowa krystalografia szeregowa (SSX) 

13.8.4. Rewolucja trwa  

Bibliografia  

ROZDZIAŁ 14. Promieniowanie  synchrotronowe w  zastosowaniach  biomedycznych (Jerzy B. Pałka)  

14.1. Wstęp  

14.2. Oddziaływanie PS z obiektami biologicznymi  

14.2.1. Charakterystyka i zastosowania poszczególnych zakresów promieniowania synhrotronowego

14.2.1.1. Zakres twardego promieniowania rentgenowskiego (HX, 0,25–0,00248 nm, 5–500 keV)

14.2.1.2. Zakres miękkiego promieniowania rentgenowskiego (SX, 0,83–24,8 nm, 50–1500 eV)

14.2.1.3. Zakresy skrajnego nadfioletu (EUV) i nadfioletu próżniowego (VUV) 

14.2.1.4. Zakres optyczny

14.2.1.4.A. Zakres nadfioletu (UV, 180–400 nm; 6,5–3,1 eV) 

14.2.1.4.B. Zakres widzialny (VIS, 380–780 nm)

14.2.1.4.C. Zakres bliskiej i dalekiej podczerwieni (780 nm–6 μm i 6–15 μm) 

14.2.1.5. Zakres  promieniowania  terahercowego  (λ = 10–1000  μm;  ν = 0,3 THz–30 THz)

14.3. Uszkodzenia radiacyjne

14.3.1. Uszkodzenia radiacyjne biomolekuł 

14.3.2. Uszkodzenia radiacyjne krystalicznych próbek biologicznych  

14.3.3. Uszkodzenia radiacyjne DNA

14.3.4. Gatunkowe i tkankowe aspekty uszkodzeń radiacyjnych  

14.3.5. Sposoby zmniejszania uszkodzeń radiacyjnych

14.4. Lasery na swobodnych elektronach i ich zastosowanie w biologii i medycynie

14.4.1. Zastosowania FEL do ablacji tkanek

14.4.2. Metody bioobrazowania i dyfrakcji z użyciem X-FEL

14.4.3. Metody spektroskopowe z wykorzystaniem krótkofalowych laserów FEL

14.4.4. Wykrywanie i identyfikacja wirusów z wykorzystaniem promieniowania niejonizującego

14.5. Podsumowanie

Dodatek. Słowniczek nazw i akronimów

Bibliografia i odnośniki 

CZĘŚĆ IV. PODSTAWY FIZYCZNE  

ROZDZIAŁ  15. Promieniowanie synchrotronowe w spektroskopii optycznej związków półprzewodnikowych II–VI (Andrzej Kisiel)

15.1. Wstęp

15.2. Związki pomiędzy stałymi optycznymi

15.3. Oddziaływanie światła z ośrodkiem krystalicznym

15.4. Przejścia optyczne z atomowych stanów rdzeniowych do pasma przewodnictwa

15.5. Fundamentalne odbicie światła i struktura pasmowa wybranych związków półprzewodnikowych grupy II–VI

15.5.1. Fundamentalne odbicie światła dla ZnTe, CdTe oraz HgTe

15.5.2. Fundamentalne odbicie światła ZnSe

15.5.3. Fundamentalne odbicie światła roztworów stałych Cd1–xZnxTe

15.5.4. Fundamentalne odbicie światła stopów związków grupy II–VI z metalami przejściowymi (związki DMS)

15.6. Fundamentalne odbicie światła półprzewodników amorficznych

15.7. Absorpcja światła w ośrodku krystalicznym

15.8. Podsumowanie

Bibliografia 

ROZDZIAŁ 16. Dyfrakcja rentgenowska – wprowadzenie (Elżbieta Dynowska)

16.1. Wstęp 

16.2. Promieniowanie rentgenowskie i jego oddziaływanie z materią 

16.2.1. Fale i fotony

16.2.2. Rozpraszani

16.3. Dyfrakcja

16.3.1. Kierunki wiązek ugiętych

16.3.2. Natężenia wiązek ugiętych  

16.4. Sieć odwrotna  

16.5. Prawo Bragga   

16.6. Promieniowanie synchrotronowe w badaniach dyfrakcyjnych   . .

Bibliografia 

The intention of the initiators of this volume was to provide young scientists with information about the directions of research that can be carried out in a synchrotron center, to include them in the community of users of synchrotron radiation and the creators of the future of the SOLARIS National Synchrotron Radiation Center, Krakow (Poland).

Making the first beamlines in NCPS SOLARIS available the users in 2018 was a landmark event for the Polish community of solid state physicists and chemists. It facilitated access to modern research methods based on this radiation to a wider group of researchers, but also created the task of proposing a scientific research program that allows full use of the unique properties of this large-scale research infrastructure, as well as creating new research lines.

The book contains an introduction to the physics of synchrotron radiation, the methods of its production and the construction of its sources, as well as a collection of chapters presenting the possibilities of using this radiation as a tool in various scientific fields.

The authors have made every effort to ensure that each reader can find here basic information of interest about the fields related to synchrotron radiation, and they hope that the book will prove useful for master’s and PhD students of physics, chemistry or materials science, as well as for those with no experience in the applications of synchrotron radiation but who wish to become acquainted with this topic.