HZB Photon School - Cheatsheet

Grundlagen der Synchrotronstrahlung

Definition:

Synchrotronstrahlung entsteht, wenn Elektronen in einem Synchrotron auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und durch Magnetfelder auf eine Kreisbahn gezwungen werden.

Details:

• Emittierte Strahlung: hohes Spektrum an Energien von Infrarot bis Röntgen.
• Energieabstrahlung: \[ P = \frac{e^2 c}{6 \pi \epsilon_0} \cdot \frac{\beta^4 \gamma^4}{R^2} \]
• Anwendungen: Materialwissenschaften, Biologie, Chemie, Medizin.
• Charakteristika: hohe Brillanz, Kohärenz, Polarisation, und Pulsstruktur.
• Vorteile: ermöglicht hochauflösende und zeitaufgelöste Untersuchungen.

Experimentelle Techniken mit Synchrotronstrahlung

Definition:

Experimentelle Techniken, die Synchrotronstrahlung nutzen, um die Struktur und Eigenschaften von Materialien zu untersuchen.

Details:

• Synchrotronstrahlung: hochintensive, kohärente Röntgen-/UV-Strahlung
• Anwendungen: Kristallographie, Spektroskopie, Streuung
• Vorteile: Hohe Auflösung, niedrige Detektionsgrenzen, schnelle Datenerfassung
• Beispiele: Röntgenbeugung (XRD), X-ray Absorption (XAS), Photoelektronenspektroskopie (XPS)

Funktionsweise und Physik der Freie-Elektronen-Laser

Definition:

FEL ist ein Laser, der Licht durch Beschleunigung freier Elektronen in einem Magnetfeld erzeugt.

Details:

• Verwendet hochrelativistische Elektronen.
• Elektronen werden durch Undulatoren (periodisches Magnetfeld) geleitet.
• Licht wird durch Synchrotronstrahlung erzeugt, wenn Elektronen ihren Kurs im Undulator ändern.
• Wellenlänge des emittierten Lichts: \[ \lambda = \frac{\lambda_u}{2\gamma^2} (1 + \frac{K^2}{2}) \] mit \( \lambda_u \) = Undulator-Periodenlänge, \( \gamma \) = Lorentz-Faktor, und \( K \) = Undulator-Parameter.
• Vorteil: Wellenlänge kann durch Anpassung der Elektronenenergie und des Magnetfelds variiert werden.

Anwendungen der Freie-Elektronen-Laser in der Forschung

Definition:

Freie-Elektronen-Laser (FEL) bieten kohärente Strahlung an, tunable im UV- bis Röntgenbereich, essenziell für zeitaufgelöste Spektroskopie und Strukturaufklärung.

Details:

• Sehr hohe Helligkeit und kurze Pulsdauern, nützlich für die Untersuchung ultraschneller Prozesse.
• Vielfältig einsetzbar in Materialwissenschaften, Biologie, Chemie.
• Nützlich bei der Erforschung von Phänomenen auf der Ebene von Molekülen und Atomen.
• Anwendungen: Röntgenkristallographie, zeitaufgelöste Spektroskopie, bildgebende Verfahren.
• FELs ermöglichen das Untersuchen der Dynamik von Elektronen und Protonen.
• Beispiele bekannter FELs: LCLS, European XFEL.

Grundlegende Eigenschaften von Röntgenstrahlen

Definition:

Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit sehr kurzen Wellenlängen und hoher Energie, die von energiereichen Prozessen emittiert werden.

Details:

• Wellenlänge: \text{ca. }10^{-12} \text{ m bis }10^{-9} \text{ m}
• Frequenz: \text{ca. }10^{16} \text{ Hz bis }10^{20} \text{ Hz}
• Energie: \text{einige }eV \text{ bis zu }MeV
• Erzeugung: Beschleunigung von Elektronen und Aufprall auf ein Material (z.B. Anodenmaterial in Röntgenröhren)
• Durchdringungsfähigkeit: hoch, können feste Materialien durchdringen
• Absorption: abhängig von der Dichte und Ordnungszahl des Materials
• Anwendungen: Materialprüfung, medizinische Diagnostik, Kristallstrukturanalyse
• Gesundheitsrisiken: Ionisierende Strahlung, kann Gewebe schädigen

Methoden der Röntgenbeugung und -streuung

Definition:

Techniken zur Untersuchung der atomaren und molekularen Struktur von Materialien mittels Röntgenstrahlung.

Details:

• Röntgenbeugung (XRD): Analyse der Kristallstruktur durch Bragg-Beugung. Formel: \[ n\lambda = 2d\sin\theta \] n: Ordnung des Beugungsmaximums, \( \lambda \): Wellenlänge, \( d \): Netzebenenabstand, \( \theta \): Beugungswinkel
• Röntgenstreuung (SAXS/WAXS): Untersuchung von Nanostrukturen in Lösungen und Festkörpern. Kleine-Angle-Röntgenstreuung (SAXS) und Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS)
• Anwendung: Strukturaufklärung, Phasenerkennung, Texturanalyse
• Geräte: Röntgendiffraktometer, Synchrotronstrahlungsquelle

Röntgenfluoreszenzanalyse

Definition:

Spektroskopische Methode zur Bestimmung der Elementzusammensetzung einer Probe durch Analyse der emittierten Röntgenstrahlung nach Anregung.

Details:

• Prinzip: Anregung der Atome in der Probe durch Röntgenstrahlen, gefolgt von Emission charakteristischer Röntgenstrahlen
• Erzeugte Spektrum analysieren, um die Elementzusammensetzung zu bestimmen
• Wichtige Formel: Moseleysches Gesetz: \( f = k(Z - \text{abschirmung})^2 \)
• Anwendungen: Materialanalyse, Geochemie, Archäometrie, Kunstuntersuchungen
• Vorteile: Zerstörungsfrei, schnelle Analyse, breite Anwendbarkeit
• Zusätzliche Geräte: Röntgenquelle, Detektor, Kühl- und Vakuumsysteme

Kristallstrukturanalyse mittels Röntgenstrahlen

Definition:

Kristallstrukturanalyse mittels Röntgenstrahlen: Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur eines Kristalls durch Beugung von Röntgenstrahlen.

Details:

• Beugungsgleichung: Braggsches Gesetz \[ n\lambda = 2d\sin\theta \]
• Einheitliche Interferenz: Bedingungen für konstruktive Interferenz
• Krystrallgitter: Bestimmung der Größenordnung von Atomabständen
• Fourier-Transformation: Rekonstruktion der Elektronendichte
• Komponenten: Röntgenquelle, Monochromator, Detektor