Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Linie badawcze

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Schemat linii

 

Schemat linii URANOS

Rysunek 3. Schemat linii URANOS

Rysunek 4. Model linii URANOS

Rysunek 4. Model linii URANOS.

Pierwszy element linii generujący promieniowanie elektromagnetyczne to kwaziperiodyczny eliptycznie polaryzujący undulator, który jest źródłem dowolnie spolaryzowanej wiązki promieniowania w zakresie UV i miękkiego promienowania X.  Następnym elementem optycznym jest zestaw szczelin i toroidalne lustro M1 (16 m od źródła), które kolimuje wiązkę wertykalnie i ogniskuje horyzontalnie w kierunku wertykalnym na szczelinie wyjściowej (26 m) oraz prowadzi wiązkę fotonów do komory monochromatora (18.7 m) na układ lustra i siatki dyfrakcyjnej w geometrii plenarnej (PGM – plane grating monochromator) lub na układ lustra i siatki w geometrii normalnej (NIM – normal incidence monochromator). Monochromator PGM pracuje w zakresie 14-600 eV, a NIM 8-30 eV. Za komorą monochromatora znajduje się cylindryczne lustro (20 m) ogniskujące światło w kierunku wertykalnym na szczelinie wyjściowej. Za szczeliną wyjściową umieszczone jest toroidalne lustro (27.3 m), które odzwierciedla szczelinę wyjściową 1:1 na powierzchni próbki w komorze analizy na stacji końcowej.

Undulator

 

Rysunek 5. Undulator Apple II - źródło promieniowania linii URANOS.

Rysunek 5. Undulator Apple II - źródło promieniowania linii URANOS.

Źródłem promieniowania synchrotronowego dla linii URANOS jest eliptycznie polaryzujący undulator typu Apple II o kwaziperiodycznej geometrii pola magnetycznego wyprodukowany przez Kyma SrL. Zastosowanie takiej geometrii pola umożliwia znaczną poprawę czystości spektralnej wiązki promieniowania UV (osłabienie składowych harmonicznych).  Na linii udział wyższych harmonicznych w widmie promieniowania wzbudzającego padającego na próbkę jest na poziomie < 1%. Eliminacja składowych harmonicznych w widmie promieniowania wzbudzającego jest szczególnie istotna dla techniki ARPES ponieważ celem tej techniki jest odwzorowanie struktury pasmowej ciała stałego. Intensywność eksperymentalnie odwzorowywanych pasm jest zależna od prawdopodobieństw danych przejść optycznych w ciele stałym i bywa niewielka. Natomiast liczba obserwowanych pasm, szczególnie w materiałach o dużych, wieloatomowych komórkach sieciowych może być bardzo znaczna. W tej sytuacji zarówno podwyższenie poziomu tła jak i obecność replik pasm spowodowane przez obecność składowych harmonicznych w widmie promieniowania wzbudzającego mogą uniemożliwić prawidłową interpretację wyników pomiarowych.
Undulator Apple II może wytworzyć dowolnie spolaryzowane promieniowanie elektromagnetyczne - dostępne są polaryzacje: liniowa horyzontalna, liniowa wertykalna, wszystkie liniowe skośne,  kołowe prawo i lewo skrętna, oraz dowolne polaryzacje eliptyczne. 

Przykładowe pomiary efektów dichroicznych w ARPES, spowodowane przez zależność między elementami macierzowymi przejść optycznych, a kierunkiem drgań pola elektromagnetycznego.

Widma ARPES ukazujące efekt dichroizmu kołowego na próbce Bi2Te3 dla różnych (odpowiednio kołowej lewoskrętnej i kołowej prawoskrętnej oraz różnica sygnałów) polaryzacji promieniowania o energii hv = 55eV.

Rysunek 6. Widma ARPES ukazujące efekt dichroizmu kołowego na próbce Bi2Te3 dla różnych (odpowiednio kołowej lewoskrętnej i kołowej prawoskrętnej oraz różnica sygnałów) polaryzacji promieniowania o energii hv = 55eV.

Parametry urządzenia wstawkowego:

Parametr Wartość
Typ urządzenia wstawkowego EPU Apple II, kwaziperiodyczny, Kyma S.p.a.
Zakres ruchu otwarcia 20 (18) – 200 mm
Magnesy
pole nasycenia
maks. amplituda pola magn. 
Liczba okresów
Długość okresu (λ0)
Całkowita długość
Stałe NdFeB; 
1.24 T;
0.6 T, (0.8 T dla 18 mm);
21;
120 mm;
2660 mm;
Mody pracy Równoległy i antyrównoległy
Dostępne polaryzacje Wszystkie, pełna kontrola polaryzacji światła: liniowa horyzontalna, wertykalna, skośne, kołowa prawo i lewo skrętna, dowolne eliptyczne
Moc promieniowania przy pełnym zamknięciu 600 W (dla prądu 500 mA)
Parametr K = e B λ μ 2 π m e c Max. 6.5 (dla 18 mm)

 

Monochromator

 

Rysunek 7. Monochromator na linii URANOS

Rysunek 7. Monochromator na linii URANOS.

Komora monochromatorów zawiera dwa układy optyczne, pierwszy pracuje w geometrii plenarnej - ślizgowego kąta padania - PGM (plane grating monochromator), drugi w geometrii normalnego padania - NIM (normal incidence monochromator). Monochromator PGM pracuje z siatką o gęstości linii 600/mm, zaś NIM z siatką o gęstości linii 2000/mm. Są to tzw. siatki laminarne czyli posiadające prostokątny profil żłobień. Zastosowanie dwóch różnych geometrii odbicia pozwala optymalizować parametry wiązki fotonów w zależności od potrzeb: może to być np. maksymalizacja strumienia fotonów, maksymalna czystość spektralna wiązki lub minimalna deformacji polaryzacji. Monochromator PGM pracuje w zakresie 14-600 eV, zaś NIM w zakresie 8 – 30 eV.

Rysunek 8. Geometria monochromatora PGM. Na rysunku ukazane dwa położenia siatki i lustra względem siebie dla dozwolonych kątów obrotu.

Rysunek 8. Geometria monochromatora PGM. Na rysunku ukazane dwa położenia siatki i lustra względem siebie dla dozwolonych kątów obrotu.

Rysunek 9. Geometria monochromatora NIM z lustrem statycznym. Pokazane dwa skrajne położenia siatki monochromatora.

Rysunek 9. Geometria monochromatora NIM z lustrem statycznym. Pokazane dwa skrajne położenia siatki monochromatora.

Wiązka wychodząca z monochromatora musi być skierowana w kierunku nieruchomej szczeliny wyjściowej (w kierunku poziomym) tzn. niezależnie od wybranej energii wiązka zawsze musi znajdować się na tej samej wysokości względem szczeliny wyjściowej. 

Długość fali promieniowania przechodzącego przez monochromator PGM i NIM można określić wzorem: 

λ = h c E = ( s i n β n + s i n α n ) N k

Gdzie αn, βn to odpowiednio kąty padania i dyfrakcji na siatce, mierzone względem normalnej do powierzchni, N to gęstość linii, żłobień na siatce dyfrakcyjnej (dla PGM 600 mm-1), zaś k to rząd dyfrakcji. 

Dla siatki pracującej w trybie PGM, ze względu na zmienny kąt padania (zależny od kąta lustra) określamy również tzw. stałą cff (fix-focus constant):

c f f = c o s β n c o s α n

Parametr cff ma praktyczne zastosowanie. Jeżeli wymagane są bardzo duże zdolności rozdzielcze należy ten parametr zwiększać (maksymalizować, α i β mają ograniczony zakres), z kolei jeśli minimalizujemy składowe harmoniczne wówczas należy dążyć do minimalnych możliwych wartości cff ponieważ pozwoli to na bardziej wydajne tłumienie składowych harmonicznych w monochromatorze.  
Energetyczna zdolność rozdzielcza (RP), w zależności od rozmiaru szczeliny wyjściowej Δsex , kąta wyjścia βn, rzędu dyfrakcji etc. jest określona jako: 

R P = E Δ E = N k q λ Δ S e x c o s β n

gdzie q określa odległość pomiędzy lustrem ogniskującym, a szczeliną wyjściową i wynosi 6 m.