Raggi X Sorgenti intense e applicazioni

Raggi X
Sorgenti intense e applicazioni
Giancarlo Ruocco
Francesco Sette
• Le Sorgenti di Raggi X
• La Ricerca Scientifica con Raggi X da Sincrotrone
Le Sorgenti di Raggi X
La radiazione elettromagnetica e’ strumento di indiscutibile importanza per
studiare il mondo che ci circonda – un mondo costituito da atomi i quali sono il
risultato dell’equilibrio di forze elettromagnetiche intra-atomiche tra particelle
cariche (elettroni e protoni) e che si legano stabilmente tra loro (legame
chimico) grazie ancora all’equilibrio di forze elettromagnetiche inter-atomiche.
L’uso di onde elettromagnetiche con lunghezze d’onda che vanno ben al di là
del piccolo intervallo corrispondente alla luce visibile ha avuto un ruolo
fondamentale nello sviluppo della scienza moderna. La spettroscopia atomica e
molecolare, vale a dire lo studio delle lunghezze d’onda caratteristiche emesse
e/o assorbite dalla materia allo stato gassoso, e’ stata cruciale, per esempio,
sia nello stabilire le leggi della meccanica quantistica sia nel fornire
informazioni altrimenti inaccessibili sulla composizione dei corpi celesti.
La scoperta dei raggi X, effettuata da W. C. Rontgen nel 1895, seguita dalla
dimostrazione che i raggi X vengono diffratti da parte della materia
condensata, dovuta Von Laue ed altri a partire dal 1911, hanno gettato le
fondamenta della cristallografia. Questa e’ la tecnica oggi comunemente
utilizzata
per
determinare
la
struttura
atomica
dei
cristalli,
cioè
per
determinare la disposizione degli atomi nello spazio. In generale lo studio della
struttura della materia effettuata con radiazione elettromagnetica di una data
lunghezza d’onda può fornire informazioni con una risoluzione spaziale
confrontabile con la lunghezza d’onda stessa: quindi, se si vuole giungere alla
comprensione della struttura della materia su una scala di lunghezze
comparabile con la dimensione degli atomi e’ necessario utilizzare radiazione
elettromagnetica con lunghezze d’onda di circa 0.1 nm, i raggi X. Franklin e
Wilkins utilizzarono i raggi X per misurare la diffrazione da un cristallo di DNA,
informazioni queste che permisero a Watson e Creek, nel 1953, di identificare
la struttura a doppia elica del DNA stesso. Questo e’ probabilmente il più
importante risultato ottenuto sino ad oggi nel campo della cristallografia. In
sintesi, l’utilizzo delle onde elettromagnetiche in esperimenti di diffrazione e di
1
spettroscopia permettono uno studio approfondito della materia fornendo
informazione diretta sulle proprietà strutturali e dinamiche degli elettroni e
degli atomi che costituiscono la natura intorno a noi. Non pertanto e’
sorprendente che, nel corso del XX secolo, gli scienziati abbiano cercato di
ottenere sorgenti di radiazione elettromagnetica sempre più efficienti e con
gamma di frequenze sempre più ampia .
Figura 1. Rappresentazione schematica dello spettro elettromagnetico. Per ottenere
informazioni sulla struttura delle materia alla scala atomica e/o molecolare (10-10 m) e’
necessario utilizzare i raggi X.
L’invenzione del Laser ha messo a disposizione dei ricercatori una sorgente
straordinariamente efficiente di radiazione elettromagnetica in una regione
dello spettro che va dal medio infrarosso al vicino ultravioletto, con particolare
efficienza nella regione visibile. Grazie ai Laser sono state effettuate importanti
scoperte scientifiche e numerose sono state le applicazioni pratiche: dalle
comunicazioni in fibra ottica, alla lettura dei codici a barra, dalla manifattura
metalmeccanica e tessile alla utilizzazione in campo medico, etc. Una sorgente
laser é tuttavia strettamente monocromatica. Desiderando poter scegliere una
sorgente elettromagnetica di lunghezza d’onda arbitraria in un intervallo
spettrale molto più ampio, capace di spaziare non solo sull’infrarosso e sul
visibile, ma anche sull’intero ultravioletto e sui raggi X sino a lunghezze d’onda
molto piccole (sino a 0.05 nm, un decimillesimo della lunghezza d’onda della
2
luce visibile verde che e’ pari a 500 nm), la sorgente con la più grande
intensità per intervallo di lunghezza d’onda e collimazione attualmente
disponibile é la “luce di sincrotrone”.
La luce di sincrotrone é la radiazione elettromagnetica emessa da un pacchetto
di elettroni in moto a velocità relativistiche (velocità prossime a quella della
luce) quando viene deflesso dalla sua traiettoria rettilinea tramite un campo
elettro-magnetico esterno. La deviazione dalla traiettoria rettilinea implica una
accelerazione non nulla degli elettroni ed é noto che una carica elettrica
accelerata emette radiazione elettromagnetica: questo é il principio fisico alla
base del fenomeno della radiazione di sincrotrone. Un fenomeno di questo tipo
avviene, per esempio, nel caso delle emissione delle onde radio (radiazione
elettromagnetica di lunghezza d’onda dell’ordine dei metri). Le onde radio sono
prodotte in un antenna (un conduttore metallico) tramite una corrente elettrica
oscillante –una corrente elettrica oscillante implica accelerazioni e decelerazioni
delle cariche in mote nel condutture. Le lunghezze d’onda emesse sono tanto
più corte quanto più elevata e’ la frequenza della corrente. In linea di principio
aumentando la frequenza di oscillazione degli elettroni la lunghezza d’onda
continuerà ad aumentare fino a raggiungere eventualmente i raggi X e oltre:
questa é la luce di sincrotrone. In realtà questo processo non può avvenire
all’interno di un conduttore in quanto la velocità che raggiungerebbero gli
elettroni in questo processo sarebbero troppo elevate, e gli urti tra questi
elettroni di conduzione e gli atomi che compongono il conduttore stesso
produrrebbero rapidamente la fusione del materiale. Questo problema é
brillantemente risolto facendo circolare gli elettroni nel vuoto di appositi tubi,
intorno ai quali viene prodotto un campo elettromagnetico esterno con lo scopo
di controllare l’accelerazione e la traiettoria del fascio di elettroni.
Il processo di produzione di “luce di sincrotrone” avviene in appositi
acceleratori circolari (anelli si accumulazione) chiamati generalmente con il
3
termine leggermente improprio di “sincrotroni”. In questi anelli1, gli elettroni
vengono portati alle velocità desiderate utilizzando delle cavità acceleratrici,
dette cavità a radio-frequenza, vengono deviati dalla loro traiettoria rettilinea
mediante campi magnetici statici, detti dipoli, e vengono focheggiati e
mantenuti presso la loro orbita ideale utilizzando campi magnetici statici
focheggianti, detti quadrupoli e/o esapoli magnetici. Le cavità a radiofrequenza dopo una certa porzione dell’orbita circolare riforniscono gli elettroni
dell’energia persa durante il processo di emissione di radiazione di sincrotrone.
Figura 2. Ogni punto rosso rappresenta una sorgente di luce di sincrotrone attualmente in
operazione, o in fase di costruzione. Si nota l’accumulo delle sorgenti nelle tre aree
scientificamente più sviluppate, USA, Europa e Giappone.
Questi anelli hanno diametri che variano dalla decina fino alle svariate
centinaia di metri. Anche se questi acceleratori hanno grandi dimensioni e costi
elevati, attualmente nel mondo ne sono operativi circa cinquanta, quasi tutti al
solo scopo di produrre radiazione elettromagnetica per fini di ricerca scientifica.
Tipicamente tanto pi Questi anelli hanno diametri che variano dalla decina fino
alle svariate centinaia di metri. Anche se questi acceleratori hanno grandi
dimensioni e costi elevati, attualmente nel mondo ne sono operativi circa
cinquanta, quasi tutti al solo scopo di produrre radiazione elettromagnetica per
fini di ricerca scientifica.
Tipicamente tanto più é elevata l’energia degli
1
Il termine anello e’ leggermente improprio. I moderni sincrotroni sono costituiti da un
susseguirsi di sezioni diritte e di sezioni curve che raccordano le sezioni diritte. L’aspetto
generale e’ più simile ad un poligono con un grande numero di lati e con spigoli “smussati”.
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elettroni tanto più grande é il corrispondente anello. I tre anelli più grandi – e
quindi più efficienti nei raggi X – hanno una circonferenza di circa un
chilometro e si trovano a Grenoble - Francia (European Synchrotron Radiation
Facility, ESRF, con elettroni che circolano ad una energia di 6 GeV) Chicago –
USA (Advanced Photon Source, APS, 7 GeV) e a Tsukuba – Giappone (Super
Ring 8, SpRing8, 8 GeV). Un quarto é in via di realizzazione ad Amburgo –
Germania (PETRA III, 6 GeV).
Gli scienziati hanno grande interesse allo sviluppo di tali sorgenti di luce. Il
parametro che si cerca di ottimizzare é la brillanza, o luminosità spettrale,
quantità questa che costituisce la figura di merito per molte applicazioni
sperimentali. La brillanza corrisponde al numero di fotoni emessi dalla sorgente
nell’unita’ di tempo, nell’unita’ di angolo solido, per unità di superficie della
sorgente e per unità di larghezza di banda intorno alla lunghezza d’onda (o
all’energia corrispondente) della radiazione considerata. Le unità di misura che
sono
usualmente
utilizzate
per
esprimere
la
brillanza
sono
photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW. Dove 0.1%BW denota una larghezza di banda
di 10-3 Eo centrata intorno all’energia Eo considerata (BW sta per Band Width o
larghezza di banda). Si capisce da tale definizione che la brillanza non
considera unicamente il flusso di fotoni (fotoni al secondo per una data
larghezza di banda) ma anche la loro densità nello spazio della fasi, vale a dire
che fotoni emessi da una piccola area con un alto grado di collimazione
direzionale saranno più facilmente “utilizzabili”, sarà cioè più facile focheggiarli,
renderli monocromatici e trasportarli, processi che avvengono nelle cosiddette
“linee di luce”, fino al luogo ove avrà luogo l’esperimento vero e proprio. Con
riferimento alle sorgenti di raggi X, il periodo che va dalla loro scoperta (circa
1900) al 1960 e’ marcato da sorgenti con Brillanza dell’ordine di 106-107
photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW, e questo valore ha limitato –nella prima metà
del XX secolo- il campo di applicazione e la ricerca basata sull’utilizzo della
radiazione di sincrotrone in generale e dei raggi X in particolare.
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Dalla scoperta della emissione di luce di sincrotrone da un fascio di elettroni
relativistici, effettuata da un gruppo di ricercatori della General Electrics nel
1947, la brillanza delle sorgenti di radiazione di sincrotrone si e’ sviluppata con
un ritmo formidabile, e in media, durante gli ultimi trenta anni si é riusciti ad
avere un aumento medio di tre ordini di grandezza ogni dieci anni per
raggiungere i valori attuali di circa 1021 ~ 1022 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW.
Figura 3. Crescita della brillanza (media per i sincrotroni e di picco per i free electron lasers)
con il trascorrere degli anni. E’ anche indicata la crescita prevista con l’avvento dei FEL di
quarta generazione.
I primi tentativi per una utilizzazione sistematica degli anelli di accumulazione
come sorgenti di fotoni per esperimenti scientifici risale agli anni ‘60. A quel
tempo, alcuni anelli di accumulazione di elettroni, progettati e costruiti per
studi di fisica nucleare e sub-nucleare, iniziarono ad essere utilizzati in modo
“parassita”, vale a dire che il tempo in cui l’acceleratore non veniva utilizzato
per l’esperimento di fisica delle alte energie per cui era stato costruito, lo
stesso veniva utilizzato come sorgente di fotoni per esperimenti in fisica
atomica, molecolare e dello stato solido. Queste macchine sono oggi ricordate
come “sorgenti di luce di prima generazione”, tra queste si ricordano
l’acceleratore ADONE a Frascati (I), DCI a Orsay (F), DORIS ad Amburgo (D),
NINA a Daresbury (UK), e SPEAR a Stanford (USA). I risultati sperimentali
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ottenuti con questi acceleratori, seppur utilizzati a tempo parziale, furono così
interessanti e promettenti da stimolare la costruzione di acceleratori disegnati,
ottimizzati
e
completamente
dedicati
alla
produzione
di
radiazione
elettromagnetica e, in particolare, di raggi X. Esempi di questa “macchine di
seconda generazione” sono l’acceleratore BESSY a Berlino (D), il VUV e l’X-ray
Ring del National Synchrotron Light Source a Brookhaven (USA), il SuperAco a
Orsay (F), SPEAR2 a Stanford (USA), e la Photon Factory a Tsukuba (J). Negli
anni ‘90 iniziò a funzionare una nuova generazione di acceleratori. Queste
sorgenti di luce di sincrotrone di “terza generazione” sono caratterizzate da
una brillanza ulteriormente aumentata grazie ai progressi teorici e tecnologici
nella fisica degli anelli di accumulazione. Ma il vero nuovo grande guadagno in
brillanza si é avuto dall’utilizzazione di routine di strutture magnetiche
periodiche, dette wiggler e ondulatori, le quali si sono cominciate a sviluppare
come possibili nuove sorgenti di radiazione nelle macchine di seconda
generazione, ma hanno visto piena applicazione nelle macchine di terza
generazione. Queste strutture magnetiche hanno permesso un ulteriore
aumento della brillanza di diversi ordini di grandezza. Infatti, mentre negli
anelli di prima e seconda generazione la luce di sincrotrone utilizzata dagli
sperimentatori é quella generata nei magneti curvanti dipoli che impongono
all’elettrone di seguire una traiettoria circolare (o un arco di traiettoria
circolare), la radiazione utilizzata nelle macchine di terza generazione e quella
generata dagli ondulatori e wiggler, che sono strutture magnetiche realizzate
con un sequenza di molti dipoli identici e disposti uno dopo l’altro con
orientazione alternata. Questi dispositivi, lunghi tipicamente
da 2 a 5 metri,
contengono tipicamente una sequenza di 100~200 dipoli identici, con ogni
singolo dipolo realizzato con magneti permanenti e lungo qualche centimetro,
costituiscono strutture magnetiche lineari periodiche che vengono inserite nelle
sezioni dritte dell’acceleratore: vale a dire sezioni dritte create ad-hoc fra due
dipoli curvanti dell’anello. Tali dispositivi inducono una forza magnetica
periodica sugli elettroni, la quale modifica la traiettoria rettilinea degli elettroni
e impone un movimento ondulatorio, producendo quindi un gran numero di
curve intorno alla traiettoria rettilinea media: ciascuna di tali curve, alle quali
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e’ associata una forte accelerazione degli elettroni circolanti, produce un
intenso lampo di radiazione. Il fattore di aumento della brillanza, rispetto alla
emissione di un singolo magnete curvante, può raggiungere il valore N2, dove
N e’ il numero di curve imposte alla traiettoria degli elettroni. Nella Figura 4 e’
schematizzata la differenza fondamentale tra l’emissione di luce di sincrotrone
da dipolo o magnete curvante e quella da ondulatore e wiggler.
A
B
Pacchetto
di elettroni
Pacchetto
di elettroni
Radiazione di
sincrotrone
Radiazione di
sincrotrone
Figura 4. Schematizzazione dell’orbita di un pacchetto di elettroni all’interno degli elementi
magnetici posti negli anelli di accumulazione. A) Magnete curvante. L’orbita degli elettroni che
passano in un regione di spazio con campo magnetico costante diretto ortogonalmente alla loro
direzione di moto, come dettata dalla forza di Lorentz, e’ deviata dal cammino rettilineo.
L’accelerazione, che implica la variazione di direzione della velocità degli elettroni, e’ in questo
caso diretta verso il centro dell’anello e produce una emissione di fotoni in direzione
tangenziale rispetto all’orbita degli elettroni stessi. B) Ondulatore e Wiggler. L’emissione di
radiazione avviene con un meccanismo del tutto simile al precedente, ma in questo caso gli
elettroni sono forzati a compiere una traiettoria sinosuidale da un campo magnetico che
cambia di segno periodicamente.
La differenza tra l’ondulatore e il wiggler e’ determinata dall’intensità del
campo magnetico del singolo dipolo: 1) si parla di wiggler se l’intensità del
campo magnetico del dipolo é elevata ed infatti simile a quella che tipicamente
sia ha in un magnete curvante (dell’ordine del Tesla). In questo caso lo spettro
della radiazione emessa é praticamente “bianco” si estende cioè in modo
continuo dalle grandi lunghezze d’onda (infrarosso) fino ad una a lunghezza
d’onda critica il cui valore e determinato dall’energia degli elettroni e dal valore
del campo magnetico del wiggler (raggiunge facilmente i 100 keV nei moderni
strumenti). L’intensità’ dello spettro di radiazione di un wiggler di N dipoli é
uguale alla somma incoerente (N volte) dello spettro di radiazione
singolo dipolo.
di un
2) Si parla di ondulatore se il campo magnetico del singolo
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dipolo e’ determinato in modo tale da imporre agli elettroni una traiettoria per
cui il campo elettromagnetico generato in una data curva e’ in fase con quello
emesso nella curva successiva. Questa condizione é realizzata con campi
magnetici notevolmente meno elevati che nel caso del wiggler (tipicamente
circa 0.1 Tesla) e, ovviamente vale solo per alcune specifiche lunghezze
d’onda. Il vantaggiosi di questa configurazione di campo magnetico e’ che la
radiazione
emessa
ad
ogni
curvatura
della
traiettoria
interferisce
coerentemente con quella emessa nelle curvature precedenti e successive,
dando luogo a uno spettro formato da armoniche corrispondenti alla somma
coerente
delle intensità dei lampi di luce emessi ad ogni curvatura della
traiettoria. In questo caso lo spettro non é piú piatto ma caratterizzato da un
susseguirsi di righe (armoniche) con intensità proporzionale al quadrato del
numero di dipoli.
Figura 5. Spettro della radiazione emessa da un wiggler (linea verde) e da due tipici ondulatori
(curve rossa e blu) con periodo magnetico di lunghezza e intensità differenti (34 e 23 mm) in
operazione all’ESRF.
Nella figura 5 si riporta a titolo di esempio lo spettro di radiazione di un wiggler
e di due tipici ondulatori con periodo magnetico di lunghezza e intensità
differenti (34 e 23 mm) in operazione all’ESRF. Il wiggler permette di coprire
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una regione moto ampia dello spettro, mentre gli ondulatori permettono di
ottenere brillanze molto piú elevate che nel caso dei wiggler, ma in una
regione spettrale notevolmente ridotta.
Esempi di sorgenti di terza generazione attualmente in funzione sono
l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble (F), la prima
sorgente di questa generazione ad essere operativa, l’Advanced Light Source
(ALS) a Berkley (USA), Elettra a Trieste (I), BESSY II a Berlino (D), Max-II a
Lund (S), l’Advanced Photon Source (APS) ad Argonne (USA), Spring8 in
Giappone (J), lo Swiss Light Source (SLS) a Villingen (CH). Molte altre sorgenti
sono in costruzione, quali Diamond a Oxford (UK), Soleil a Orsay (F), ALBA a
Barcellona (E), e PETRA III ad Amburgo (D).
Una caratteristica degli anelli di accumulazione utilizzati come sorgente di luce
di sincrotrone e’ che gli stessi elettroni girano per ore ed ore, passando
centinaia di migliaia ed anche milioni di volte al secondo attraverso gli stessi
ondulatori e dipoli. Le cavità a radiofrequenza nell’anello restituiscono l’energia
persa dagli elettroni per irraggiamento (essi generalmente irradiano circa lo
0,1% della loro energia ad ogni giro) così da permettergli di girare con energia
praticamente costante. Ogni volta che un elettrone emette un fotone, un
processo di tipo quantistico e quindi probabilistico, effetti di rinculo perturbano
il suo stato di moto e la sua posizione. Questa moltitudine di perturbazioni
casuali che si verificano ad ogni perturbazione dello stato di moto dell’elettrone
determinano un limite superiore alla brillanza che la struttura magnetica
dell’anello
può
imporre
agli
elettroni,
in
altri
termini
questi
processi
impediscono che il volume dello spazio delle fasi occupato dagli elettroni possa
essere ridotto al di sotto di un certo limite, e questo a sua volta impone un
limite al valore massimo alla brillanza delle sorgenti di fotoni basate su anelli di
accumulazione, vale a dire su acceleratori dove gli elettroni vengono
immagazzinati e fatti circolare quasi indefinitivamente nell’anello.
Un’attenta
analisi quantitativa mostra che non e’ possibile aumentare sostanzialmente la
brillanza di un anello di accumulazione al di sopra dei valori attualmente
10
ottenuti nelle macchine di terza generazione. La ricerca di sorgenti di raggi X
di con valori di brillanza ancora superiori agli attuali si sta sviluppando
allontanandosi
dall’uso
di
anelli
di
accumulazione
e
dirigendosi
verso
acceleratori in cui gli elettroni passano nelle strutture magnetiche poche o al
limite una sola volta. In questo caso i limiti imposti dalle condizioni di ricircolo
del fascio non sono piú rilevanti in quanto ogni impulso di luce corrisponde a
un nuovo fascio di elettroni.
In queste nuove macchine in fase di studio (quarta generazione) si cerca di
realizzare una
emissione coerente da parte dei vari elettroni costituenti il
singolo pacchetto, portando ad una brillanza che e’ proporzionale al quadrato
del numero di elettroni circolanti, e non direttamente proporzionale come nel
caso di macchine di generazione inferiore, dove ogni elettrone emette
indipendentemente (incoerentemente) dagli altri. In altri termini, mentre la
luce di sincrotrone emessa da M
accumulazione
nel
passare
elettroni circolanti in un anello di
attraverso
un
ondulatore
di
N
periodi
é
proporzionale a MN2, essa può essere resa proporzionale a M2N2 in un
acceleratore lineare se la densità di elettroni e’ sufficientemente elevata.
Considerando che, teoricamente, si dovrebbe riuscire a realizzare condizioni di
emissione coerente in pacchetti contenenti fino a 107-109 elettroni, ci si
aspetta un’enorme incremento di brillanza rispetto ai valori attuali. Lo sviluppo
di tali sorgenti, dette di quarta generazione, e’ all’ordine del giorno nel primo
decennio del XXI secolo. Si comprende anche perché ci si riferisce a queste
sorgenti rivoluzionarie come a dei Laser a Elettroni Liberi nei raggi X (X-ray
Free Electron Laser o XFEL) in quanto l’emissione di luce e’ legata in modo
coerente sia al numero elettroni che al numero di fotoni presenti nella “cavità”
che in questo caso é l’ondulatore. Il riferimento esplicito al processo Laser é
leggermente improprio in quanto non si produce –come nei veri Laser- una
inversione di popolazione di livelli, ma va accettato in relazione al fatto che ,
come nei laser, si verifica un processo di emissione coerente di luce, di
sincrotrone in questo caso.
11
La Ricerca Scientifica con Raggi-X da Sincrotrone
Introduzione
I raggi X prodotti da anelli di accumulazione di elettroni trovano applicazione in
un vasto campo di studi scientifici. Al giorno d’oggi la luce di Sincrotrone è
divenuta uno strumento essenziale per le ricerche in archeologia, biologia,
chimica, scienza dei materiali, medicina, paleontologia, fisica e molte altre
discipline scientifiche. Questo è in gran parte dovuto alla combinazione di varie
importanti caratteristiche delle sorgenti, quali la loro brillanza alle lunghezze
d’onda dei raggi X, la loro stabilità, l’ampio spettro di energia accessibile, le
caratteristiche di polarizzazione della radiazione e l’affidabilità del complesso
dell’acceleratore nel suo insieme.
La ricerca scientifica basata su luce di sincrotrone deve molto del suo successo
all’impatto che ha avuto, e che si prevede abbia in misura ancora maggiore nel
prossimo futuro, sulla scienza dei materiali considerata in una accezione molto
ampia. Alcuni esempi delle “sfide” che i ricercatori stanno affrontando all’inizio
del XXI secolo in questo settore sono illustrati nel seguito. Si tratta di specifici
sotto-settori della scienza dei materiali, in particolare: 1) di grande risonanza
sono le ricerche relative alle nano-scienze e alle nano-tecnologie, 2) gli
esperimenti cosiddetti di pump-and-probe e, più in generale, degli studi risolti
in tempo, 3) la scienza in condizioni “estreme”, con riferimento a variabili
termodinamiche quali la pressione, la temperatura e a campi magnetici ed
elettrici, 4) la biologia strutturale e funzionale, 5) le ricerche nel campo della
materia
soffice,
6)
e
lo
sviluppo
della
microscopia
tri-dimensionale,
eventualmente risolta in tempo, con raggi X alla quale ci si riferisce in termini
generali
come
X Ray Imaging. Questi campi di ricerca sono di grande
interesse scientifico, sia fondamentale che applicativo, per l’impatto che hanno
nello studio e caratterizzazione di nuovi materiali, sullo sviluppo di nuove
componenti elettroniche e magnetiche, nelle scienze legate alla produzione di
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energia, negli studi di biologia e il loro impatto in campo medico, nella scoperta
e realizzazione di nuove strutture organizzate in gerarchie funzionali, nella
possibilità di studi non distruttivi in campi emergenti legati all’ambiente
naturale, ai prodotti umani con interessi culturali, a situazioni nelle quali
i
campioni da studiare sono spesso unici (materiali stellari o di interesse
paleontologico), e via dicendo.
Figura 6. La figura ha come scopo quello di far percepire al lettore la vastità delle possibili
applicazioni della ricerca con raggi X da luce di sincrotrone. Si determina con risoluzione
atomica la struttura di macromolecole -quali le proteine- con svariati milioni di atomi in
posizioni non equivalenti e che sono rilevanti in biologia e nella scienza della vita. Si iniziano
protocolli per l’utilizzare I raggi X da sincrotrone per curare malattie dell’uomo dove le sorgenti
di radiazione convenzionali non sono sufficientemente ‘brillanti”, e si spera di poter presto
grazie a questo tipo di sorgenti nuovi programmi medici specialistici. Si può determinare la
struttura atomica, chimica, includendo gli stress locali e i gradienti di concentrazione, di nanostrutture. Si può identificare la mappa dello stress di materiali sottoposti a specifiche
situazioni funzionali quali per esempio gli stress residui in materiali simili saldati fra loro,
l’usura delle rotaie dei treni, di ali di aereo o di componenti all’interno di un motore – tutto ciò
allo scopo di comprendere e prevenire usure e rotture di componenti critici. Si determina la
struttura tridimensionale di materiali in modo non distruttivo e con enfasi su particolari aspetti
quali una particolare specie chimica presente
nel sistema (chemical mapping), o la
distribuzione di elementi magnetici (magnetic mapping). Si studiano nel dettaglio processi di
formazione del legame chimico fra specie diverse sia su superfici che all’interno di solidi, liquidi
e gas, o all’interfaccia fra due materiali diversi.
Questa ricchezza di campi applicativi e’ schematizzato nella figura 6, nella
quale si riportano esempi caratteristici del tipo di ricerca che viene svolta
13
oggigiorno nei Laboratori di Luce di Sincrotrone. Nel seguito sono riportati
alcuni esempi di attività che si prevede caratterizzeranno la ricerca con i raggi
X nel periodo 2010-2020.
Nano-scienze e Nano-tecnologie
I raggi X sono uno strumento essenziale per la ricerca strutturale e dinamica
dei materiali, da dimensioni macroscopiche (millimetri) fino ad arrivare al
livello
molecolare
(decimi
di
nanometro).
L’ottimizzazione
di
tutte
le
componenti delle sorgenti e dell’ottica per il condizionamento del fascio di raggi
X permette oggi di ottenere fasci di raggi-X con dimensioni trasversali inferiori
a 20 nanometri, rendendo possibile la ricerca in nuove aree scientifiche come,
per
esempio,
interdisciplinare
gli
innovativi
dei
nano-materiali
materiali
“progettati”,
soffici/biologici,
e
la
dei
fertile
area
componenti
elettronici/spintronici a scala nanometrica.
I materiali innovativi in genere, siano essi di origine naturale o progettati e
realizzati dall’uomo, hanno proprietà che quasi sempre dipendono dalla
specifica gerarchia dei componenti chimici, organizzati su differenti scale di
lunghezza. Quindi la comprensione di una funzione macroscopica, e ancor più
la sua progettazione, richiede una conoscenza della struttura microscopica e
della dinamica a tutte le scale di lunghezza fino al livello molecolare ed
atomico. Questa è una particolarità importante per lo studio della struttura di
materiali compositi, polimeri, ceramiche, geo-materiali, materiali strutturali e
funzionali, materiali smart e materiali bio-compatibili. Queste ricerche devono
essere effettuate in situ,
studiando i comportamenti specifici di questi
materiali come le trasformazioni di fase, la dinamica, le reazioni, le condizioni
di produzione, la deformazione e il danno, e, non ultime, le conseguenze
ambientali del loro uso e della loro realizzazione.
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La ricerca di base e applicata sullo studio dei materiali è un’area cruciale per lo
sviluppo della nostra società in quanto essa sostiene il progresso tecnologico e
la competitività economica e industriale del XXI secolo. In vista di questi
obiettivi e’ particolarmente grave l’attuale insufficienza di strumenti analitici e i
limiti imposti dalla tecnologia, fatti questi che dimostrano la nostra scarsa
conoscenza della relazione intercorrente tra la “funzione macroscopica” e la
sua origine microscopica, a livello atomico/molecolare. Queste limitazioni sono
mostrate, per esempio, dal fatto che siamo ancora molto lontani dal realizzare
artificialmente copie efficienti di materiali naturali complessi come le ossa o il
legno.
Le
Nano-tecnologie
stanno
iniziando
a
fornire
gli
strumenti
per
un
assemblaggio di base dei materiali complessi. Si pensa che questa tecnologia
alla fine sostituirà l’intera strategia usata finora dall’industria elettronica per la
realizzazione di componenti elettronici e, per esempio, permetterà di realizzare
circuiti integrati a più alta densità di riempimento.
Il progresso di questi sviluppi implica la necessità di affiancare a quelli che gia’
esistono a scala di lunghezza maggiore nuovi strumenti nano-analitici. Le
tecniche tradizionali attualmente disponibili sono basate su sonde elettroniche
oppure su altre tecniche con sonda a scansione che hanno il serio problema di
non essere sensibili a grandi volumi. La disponibilità di micro e nano sonde di
radiazioni del sincrotrone ora rendono possibili uniche capacità in situ, la
possibilità cioè di studiare i materiali nano strutturati senza alterare le
proprietà del device in esame. Tecniche analitiche basate sulla radiazione di
sincrotrone (la diffrazione, la formazione di immagini e la spettro-microscopia)
giocano un importante ruolo offrendo informazioni strutturali tri-dimensionali
che sono sia risolte in tempo sia chimicamente selettive.
Le linee di luce specializzate allo scopo attualmente hanno, come detto,
capacità di focalizzare il fascio di raggi X su scala sub-micrometrica, ma si può
prevedere in breve tempo una dimensione focale nella regione compresa tra 2
15
e 10 nm. Ciò fornisce la stimolante opportunità di studiare singole unità
biologiche funzionali tramite tecniche di formazione di immagini, si può cioè
ricostruire la distribuzione spaziale degli atomi in una singola macromolecola di
dimensione inferiore a 10 nanometri. Una maggiore focalizzazione dei fasci di
fotoni usati per tecniche tomografiche, come la tomografia a fluorescenza, avrà
un impatto enorme negli studi di biologia cellulare. Sarà possibile seguire nel
tempo la traccia di opportuni elementi sonda (ioni metallici) all’interno di
cellule “vive” e di componenti sottocellulari con risoluzione nanometrica. Fatto
questo che presenta un rilevante avanzamento tecnico in confronto alle
tecniche
ex-situ elettroniche attualmente in uso. Tecniche di tomografia
potranno anche affrontare il problema della distribuzione dei cromosomi nei
nuclei cellulari e permetteranno la caratterizzazione dei “territori” all’interno
del nucleo cellulare che si pensa siano collegati alla trascrizione del RNA.
Il raggiungimento di dimensioni di focalizzazione della grandezza di circa 100
nm permettono studi di diffrazione (sia per piccoli che per grandi angoli), che
combinano sondaggi locali con risoluzione strutturale su lunghezze di scala al
di sotto della risoluzione atomica. Queste caratteristiche sono anche richieste
per lo studio della risposta di importanti strutture bio-composite gerarchiche
(per esempio legno o ossa) allo stimolo esterno quale lo sforzo di tensione.
Esperimenti pump-and-probe e diffrazione risolta in tempo
Lo studio di quei processi e quelle reazioni che accadono alle scale temporali
che vanno dai nanosecondi fino alle centinaia di secondi è stato affrontato
attivamente
in
vari
centri
di
luce
di
sincrotrone
usando
metodi
di
spettroscopia, diffusione e diffrazione. Questi studi sono particolarmente
impegnativi, in primo luogo per le particolari attenzioni che bisogna riporre nel
condizionamento dei materiali da studiare, e sono stati alla base dei notevoli
sviluppi dei rivelatori per raggi X. Questo tipo di ricerche risolte in tempo
sfruttano la struttura temporale degli elettroni circolanti negli anelli di
16
accumulazione. In particolare, gli elettroni – e quindi i fotoni emessi come luce
di sincrotrone - si presentano sotto forma di pacchetti che producono impulsi di
luce di durata vicina ai 100 picosecondi, impulsi che si ripetono con un periodo
che – a seconda delle modalità di funzionamento dell’anello di accumulazione può andare da qualche frazione di microsecondo a qualche millisecondo.
Questa struttura temporale e’ fondamentale per studiare, con la diffrazione
time–resolved, sistemi biologici e la formazione di legami chimici. Queste
ricerche esploderanno in importanza quando i nuovi XFEL diventeranno
disponibili, come dimostrato dal lavoro pionieristico effettuato presso quei FEL
già in operazione come la sorgente FLASH a DESY (D), operante nel lontano
ultravioletto, o come SPPS a SLAC (USA) operante nei raggi X ma con intensità
ancora insufficienti.
La diffrazione con risoluzione temporale del picosecondo ha già dimostrato di
essere uno strumento veramente potente per seguire il modo in cui la struttura
atomica, sia in composizione che in struttura, delle molecole viene modificata
durante una reazione chimica. Questo tipo di esperimenti sono effettuati
secondo le modalità di pump-and-probe: gli impulsi di un ordinario laser a
femtosecondi (il pump, o pompa) vengono utilizzati per eccitare un sotto
insieme di molecole nel campione che si vuole studiare, e gli impulsi di raggi X
di sincrotrone (il probe, o sonda), opportunamente ritardati, sondano – tramite
il fenomeno della diffrazione - la struttura del campione in funzione del ritardo
imposto. La figura di diffrazione viene registrata tramite un detector di tipo
CCD (Charge Coupling Device) e, variando il ritardo di tempo dai 100
picosecondi sino ai millisecondi, può essere realizzato un “filmato”, invertendo
con Fourier la configurazione della diffrazione ottenuta per ogni ritardo (ogni
“fotogramma”),
dell’evoluzione
temporale
della
struttura
inizialmente
sollecitata dalla pompa. Un importante esempio di utilizzo di questa tecnica e’
rappresentato dalla registrazione della dissociazione del monossido di carbonio
dal complesso della mioglobina MbCO. Si e’ cioè cominciato a “vedere” l’azione
a livello veramente molecolare del fenomeno della respirazione negli organismi
superiori. Una delle importanti domande a cui questa tecnica può dare risposta
17
nei prossimi anni è quella relativa al ruolo delle molecole d’acqua nelle
dinamiche proteiche.
Un altro campo di ricerca in piena espansione e’ quello della diffrazione risolta
in tempo da molecole in soluzione (Solution Phase X-ray Diffraction, SPXD).
Questo tipo di esperimenti sono effettuati su di un campione in movimento,
cose che rende possibile studiare reazioni irreversibili, ad alta velocità: il
campione viene spostato circa 100 volte al secondo, sottoponendo così al
fascio di raggi X una parte del campione sempre nuova e mai sottoposta ad
irraggiamento. Usando un intenso fascio di radiazione di sincrotrone, ottenuto
da una singola armonica di un ondulatore di corto periodo, è ora possibile
acquisire spettri di diffrazione, con 100 ps di risoluzione temporale, a una
cadenza di 20 spettri per ora. Gli spettri di diffrazione portano informazione
sulle modificazioni prodotte dal fasci laser di pompa, in particolare sulle
reazioni chimiche fotoindotte prodotte dal laser medesimo. Gli esperimenti
condotti sino ad ora hanno mostrato il “filmato” della formazione e della rottura
dei legami chimici, le ricombinazioni dei prodotti di reazione, la struttura del
solvente intorno ai prodotti di reazione e le idrodinamiche del mezzo solvente
(per esempio il cambio di temperatura, pressione e densità associati al calore
prodotto dalla reazione di fotodissociazione).
Scienza in condizioni estreme
Un’area molto importante di applicazione della ricerca con i raggi X da
sincrotrone
è lo studio di materiali in condizioni termodinamiche estreme, o
sottoposti a intensi campi esterni. In queste applicazioni si sfrutta l’alta
penetrazione di raggi-X e la capacità di focalizzare una alta intensità di
radiazione su una piccola regione spaziale. Campioni e materiali sottoposti ad
elevate pressioni, portati ad elevate temperatura e sottoposti ad intensi campi
elettrici e/o magnetici, sono infatti solitamente confinati in piccolissimi volumi.
Di conseguenza sono necessari complessi sistemi di condizionamento dei
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campioni, e questi, specificatamente disegnati per raggiungere pressioni e/o
temperature elevate, sono oggi disponibili ed adattati per essere utilizzati
presso le linee di luce di sincrotrone. Esperimenti a estreme condizioni di
temperatura (dai millesimi di grado Kelvin fino ai 5000 Kelvin), pressione (fino
a 5 Mbar) e campo magnetico (fino a 50 Tesla, costanti e ad impulsi) sono in
corso di realizzazione e saranno presto a disposizione per ricerca in varie
discipline. La combinazione di tecniche basate sulla radiazione di sincrotrone
(diffrazione,
scattering
di
piccolo
angolo,
assorbimento
spettroscopico,
diffusione anelastica, e scattering nucleare), fornendo importanti informazioni
sulla struttura, le dinamiche, le proprietà magnetiche ed elettroniche sotto
condizioni termodinamiche precedentemente inesplorate, avranno grande
impatto in molte discipline scientifiche, dalla biologia alla geologia e alla
cosmologia.
La sintesi e la caratterizzazione in-situ di nuovi materiali in queste condizioni
estreme forniscono informazioni decisive sul comportamento dei materiali,
informazione essenziale, per esempio, per i più avanzati programmi di ricerca
di nuove fonti energetiche come ITER e NIF. La conoscenza delle proprietà
strutturali ed elastiche degli elementi, composti e minerali di interesse per la
geofisica e la scienza planetaria forniscono nuove intuizioni sull’evoluzione e
sulla composizione dei pianeti del nostro sistema solare. La spettroscopia
magnetica dei magneti molecolari a temperature del millesimo di grado Kelvin
contribuisce allo sforzo della ricerca di base verso lo sviluppo di un futuro
calcolatore quantistico.
Gli studi effettuati con campi magnetici di intensità elevate, guidano alla
scoperta di nuovi effetti fisici e hanno un’influenza decisiva per una migliore
comprensione
dei
semiconduttori,
dei
magnetici.
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superconduttori
e
dei
materiali
Biologia strutturale e funzionale e Materia soffice
L’uso della luce di sincrotrone in esperimenti di diffrazione è stata essenziale
per l’enorme crescita della conoscenza delle strutture tridimensionali delle
macromolecole biologiche che si e’ registrata negli ultimi decenni. Il campo
della biologia strutturale è stato rivoluzionato dall’avvento della radiazioni di
sincrotrone. Esperimenti che erano precedentemente di difficile svolgimento
sono divenuti oggi di routine e quelli ritenuti “impossibili” sono ora realizzabili.
Il successo delle linee di luce di sincrotrone dedicate alla cristallografia
macromolecolare e’ dimostrato dal fatto che tutte le sorgenti di luce di
sincrotrone attualmente in costruzione prevedono la realizzazione di un elevato
numero di linee dedicate a questa ricerca.
La rivoluzione della ricerca in biologia, tuttora in corso, richiede informazioni
strutturali estremamente dettagliate su campioni che presentano crescenti
“difficoltà” di analisi, come le proteine delle membrane biologiche e le
aggregazione di macromolecole. Nuove linee di luce specializzate nella nanofocalizzazione, altamente automatizzate e quindi con capacità di studiare una
grande quantità di campioni in breve tempo, permetteranno lo screening e la
misurazione della diffrazione da cristalli di questi sistemi. Questi cristalli hanno
celle unitarie sempre più grandi e sono, di per se, sempre più piccoli. Per
affrontare queste crescenti difficoltà sperimentali, le moderne linee di luce sono
attrezzate sia con rivelatori di fotoni di nuova concezione, sia con sistemi
automatizzati
per
il
posizionamento
del
campione.
Queste
condizioni
aumentano grandemente il numero di campioni analizzabili nell’unità di tempo,
e permettono strategie di acquisizione dei dati volte a minimizzare i problemi
associati ai danni di radiazione e alla spesso scarsa qualità del cristallo. Questi
studi avranno un grande impatto sulle iniziative globali volte a combattere le
malattie e su altre problematiche legate alle ricerche mediche, problematiche
nelle quali l’informazione strutturale è il fattore chiave. La conoscenza della
struttura proteica, strettamente connessa allo sviluppo di nuovi farmaci e
quindi –parlando in generale- al miglioramento dello stato della salute umana,
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e’ un punto centrale. Il trattamento efficiente di questo tipo di campioni, con
seri problemi intrinseci, può essere ottimizzato attraverso un ulteriore sviluppo
del processo di automazione delle linee di luce.
La realizzazione di cristalli di qualità sufficiente rappresenta una delle strettoie
nella determinazione della struttura proteica e si stima che circa il 30% delle
proteine presenta gravi difficoltà nella cristallizzazione, e quindi questi
materiali
non
saranno accessibili alle
tecniche
di
diffrazione
standard.
L’applicazione di esperimenti di scattering a piccolo ed a grande angolo (Small
Angle X-ray Scattering, Wide Angle X-ray Scattering – SAXS e WAXS) da
aggregati macromolecolari non-cristallini per la ricerca su materia soffice
condensata presenterá una possibile alternativa in caso di difficoltà di
cristallizzazione, fornendo preziose informazioni strutturali. Si prevede quindi
una grande attività nello sviluppo di esperimenti SAXS/WAXS in combinazione
con gli strumenti della bio-informatica.
X-Ray Imaging
L’ X-Ray Imaging, con le sue numerose varianti che includono la microscopia a
spettroscopia di fluorescenza e la microscopia di diffrazione, le immagini
tridimensionali che impiegano metodi tomografici e lo sfruttamento della
coerenza, sta rivoluzionando il modo di pensare della comunità scientifica sulle
possibilità offerte dalla luce di sincrotrone. L’uso dei raggi X nel campo
dell’imaging porta molti vantaggi specifici: le tecniche sono non distruttive e
possono essere selettive per un vasto campo di proprietà (densità, elementi
chimici, legami chimici, spin, momento magnetico, stato di tensione interna,
distinzione superficie-volume, ordine rispetto al disordine), con sensibilità
estremamente alta.
Le tecniche di
X-Ray Imaging si stanno applicando oggi in un crescente
numero di campi. Esse non sono solo applicate ai problemi classici della fisica,
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della scienza dei materiali e dell’ingegneria, ma anche a nuove aree di
interesse che includono la medicina, le scienze ambientali, l’archeologia, la
paleontologia e le scienze del patrimonio umano. Un altro aspetto importante è
che
l’evoluzione
di queste
tecniche verso
l’alta risoluzione
spaziale
e
temporale, la possibilità di effettuare esperimenti in situ (in particolare per la
microanalisi alle condizioni estreme), e la possibilità di realizzare misure
quantitative di precisione, sta permettendo l’apertura di una grande quantità di
nuovi soggetti di ricerca. Esempi tipici includono la scienza dei materiali, dove
può essere coperto l’intero campo di scale di lunghezza (da circa 50 nm fino a
50 mm), nano tecnologie dove la scala importante è quella da 50 nm in giù, e i
bio-materiali e la materia soffice condensata (terreni, micro strutture, materiali
compositi, plasticità di una gran quantità di tipi di materiali…).
Le linee di luce di sincrotrone attuali permettono l’utilizzo di fotoni con un
ampio intervallo di energie e con caratteristiche di focalizzazione e coerenza
tali da poter essere utilizzate per analisi tridimensionali. La combinazione di
queste caratteristiche con un avanzato sistema di condizionamento del
campione (che include la possibilità di raggiungere anche le condizioni estreme
di cui si é precedentemente parlato), e con risoluzioni spaziali e temporali
molto alte rappresenta un insieme di condizioni ancora mai raggiunte
nella
ricerca con i raggi X. La sfida del futuro mira a spingere la risoluzione spaziale,
attualmente nell’intervallo da 100nm a 1 µm, a 10 nm. Questo guadagno di un
ordine di grandezza faciliterà in modo sostanziale le capacità di indagine nel
campo delle nano-scienze. A questo scopo, un notevole sforzo va anche nel
migliorare la risoluzione temporale, sino a raggiungere valori prossimi al
millisecondo. Questo permetterà di indagare processi in evoluzione quali
propagazione di fratture,
trasformazioni di fase…. L’ immagine di campioni
biologici solleva speciali problemi, in particolare quello della sensibilità alla
radiazione. Il “problema della dose” può essere sostanzialmente alleviato
attraverso lo sviluppo di nuovi rivelatori che forniscano simultaneamente alta
risoluzione ed efficienza. In questo ambito, l’aumentare della domanda per
tecniche di immagine per materiali biologici sta influenzando e promovendo un
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rinnovato sforzo tecnologico per migliorare ulteriormente la strumentazione per
raggi X nel campo dei rivelatori, dell’ottica, del posizionamento del campione e,
non ultimo, dell’acquisizione e dell’analisi dei dati per poter accedere in tempi
brevi (reali) alle immagine acquisite.
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