Che cos’è una sorgente di radiazione di sincrotrone?
Una sorgente di radiazione di sincrotrone utilizza magneti deformabili per forzare fasci di elettroni ad alta energia a circolare in un acceleratore di sincrotrone a forma di anello a una velocità prossima a quella della luce. Lungo la direzione tangenziale della traiettoria deviata, gli elettroni emettono uno spettro continuo di onde elettromagnetiche. Questa radiazione spontanea emessa dagli elettroni presenta un’elevata intensità e un ampio intervallo spettrale, consentendo di selezionare arbitrariamente la lunghezza d’onda desiderata e di regolarla continuamente. Pertanto, è diventata una nuova tipologia di sorgente luminosa per la ricerca scientifica.
Struttura principale della sorgente luminosa:
È costituito principalmente da un acceleratore lineare, un booster, un anello di accumulo, linee di luce e stazioni sperimentali.
Storia dello sviluppo:
Caratteristiche della sorgente luminosa
- Alta intensità
Ad esempio, l’acquisizione di un’immagine radiografica di difetti cristallini con un apparecchio radiografico convenzionale richiede solitamente 7-15 giorni di esposizione, mentre l’utilizzo di una sorgente di luce di sincrotrone richiede solo pochi secondi o minuti. L’efficienza operativa risulta quindi migliorata di decine di migliaia di volte. L’elevata luminosità consente alla luce di sincrotrone di svolgere molte funzioni che le sorgenti luminose convenzionali non sono in grado di svolgere. - Ampio spettro
La radiazione di sincrotrone copre un ampio intervallo spettrale, che si estende dall’infrarosso, alla luce visibile, all’ultravioletto del vuoto e ai raggi X molli, fino ai raggi X duri. Attualmente è l’unica sorgente luminosa in grado di coprire un intervallo così ampio pur mantenendo un’elevata luminosità. - Collimazione elevata
La radiazione di sincrotrone estratta attraverso componenti ottici presenta un’eccellente collimazione. Dopo la focalizzazione, la luminosità può essere notevolmente aumentata, rendendo possibile lo studio di campioni estremamente piccoli e di elementi in tracce nei materiali. - Natura pulsata
La radiazione di sincrotrone viene emessa da fasci di elettroni che circolano periodicamente nell’anello di accumulazione, producendo una struttura temporale di impulsi che vanno dai nanosecondi ai microsecondi. Questa proprietà consente di studiare processi dipendenti dal tempo come reazioni chimiche, eccitazioni fisiche e cambiamenti nelle cellule biologiche. - Polarizzazione
Analogamente alla luce visibile, la radiazione di sincrotrone emessa dall’anello di accumulazione può presentare una polarizzazione lineare o circolare a seconda dell’angolazione dell’osservatore. Questa caratteristica può essere utilizzata per studiare l’orientamento di parametri specifici nei campioni.
Applicazioni principali:
Materiali ingegneristici
La linea di luce HEPS per materiali ingegneristici fornisce metodi di prova non distruttivi con elevata capacità di penetrazione, risoluzione spaziale multiscala, elevata sensibilità alla densità, elevata risoluzione angolare e caratteristiche di campo ampio. Consente studi in situ, non distruttivi, multidimensionali e multiscala delle caratteristiche micro e mesostrutturali dei materiali ingegneristici, nonché della distribuzione delle tensioni residue. Inoltre, supporta la ricerca sulle relazioni tra tecniche di fabbricazione e lavorazione, condizioni di carico e ambientali e prestazioni macroscopiche dei materiali.
Materiali avanzati
La stampa 3D di livello industriale, in quanto espressione di tecnologie di produzione avanzate, è un elemento chiave della strategia “Made in China 2025”. Le lavorazioni complesse spesso inducono evoluzione microstrutturale e stress residui, con conseguente degrado delle prestazioni dei materiali e guasti prematuri. HEPS consente una diagnostica in situ, non distruttiva e in tempo reale delle condizioni di lavorazione e di servizio, fornendo informazioni cruciali sul legame tra microstruttura e prestazioni e contribuendo al miglioramento dell’affidabilità dei materiali avanzati.
Catalisi ed energia
La chiave per applicazioni di energia verde efficienti, pulite e rinnovabili risiede nella comprensione dei processi di reazione catalitica chimica, nonché nel raggiungimento di una catalisi controllabile a livello molecolare e nanoscopico. Tali studi richiedono impianti di radiazione di sincrotrone con elevato flusso di raggi X, elevata luminosità, eccellente risoluzione temporale e spaziale e la capacità di condurre esperimenti in situ e in operando in condizioni realistiche. Solo dispositivi di radiazione di sincrotrone con elevata brillantezza ed emittanza estremamente bassa possono fornire queste condizioni di ricerca.
Nuova Energia
Il petrolio e il gas di scisto sono diventati nuovi punti di forza nello sviluppo delle risorse globali. Utilizzando la tecnologia nano-CT di HEPS, è possibile ottenere immagini tridimensionali delle strutture di scisto con risoluzione nanometrica, rivelando le caratteristiche di distribuzione spaziale dei pori e acquisendo parametri come la connettività dei pori, la distribuzione delle dimensioni dei pori e il volume dei pori. Inoltre, i metodi di scattering a basso angolo possono risolvere i nanopori e la distribuzione dei pori a diverse scale, fornendo dati scientifici per lo studio delle caratteristiche di stoccaggio del petrolio e del gas di scisto.
Distribuzione globale delle sorgenti di luce di sincrotrone
Le sorgenti luminose a radiazione di sincrotrone sono ampiamente utilizzate nell’economia nazionale, nella ricerca scientifica e nell’industria della difesa, e vari materiali magnetici ne costituiscono una parte essenziale.
