Srdcem výzkumu jsou experimentální laboratoře či linie (beamlines), které využívají interakci synchrotronového záření se studovanou látkou. Synchrotronové záření vzniká při ohybu elektronů v akumulačním prstenci, k čemuž v synchrotronech třetí generace slouží ohybové magnety, undulátory a wigglery; každé toto zařízení produkuje záření s jiným spektrem a intenzitou. Experimentální linie sestává z optické kabiny, v níž je záření monochromatizováno, z kabiny, v níž se provádí experiment, a z řídící místnosti, v níž uživatelé dálkově ovládají vše od pohybu motorků, řízení experimentálního uspořádání až po sběr dat. Typická délka jedné linie je 40 metrů. Linie pro experimenty vyžadující velký průřez svazku nebo koherentní záření odsunují kabinu od akumulačního prstence co nejdále – pro CESLAB se uvažuje o délce kolem 100 m.
Podle nynějšího projektu by mohlo být v zařízení typu CESLAB místo až pro 33 linií. V současnosti se uvažuje o zhruba 15, přičemž v první fázi výstavby synchrotronu se počítá s instalací asi 10 linií. Laboratoře jsou vybaveny specifickým zařízením pro určitý typ experimentů odpovídající metodám v různých vědních oblastech: biologie a medicína, chemie, fyzika, materiálové vědy, mikro- a nanotechnologie, vědy o zemi, studie kulturního dědictví a další.
Podívejme se nyní ve stručnosti na metody experimentálních linií navržených pro CESLAB. Makromolekulární krystalografie je metoda pro určování struktury molekul z difrakčních záznamů. Intenzivní rtg záření o vlnové délce kolem 1 Å je nezbytné pro přesné určení struktur zejména velkých molekul, jakými jsou např. proteiny či viry. Synchrotronové laboratoře umožňují rychlé měření velkého množství standardních krystalů a též využití anomální difrakce pro ab-initio určování struktury komplikovaných molekulárních komplexů, pro přesné určení polohy atomů nebo pro experimenty s časovým rozlišením. Prozařovací mikroskopické metody pro měkké rtg záření v oblasti vodního okna slouží k zobrazování biologických vzorků či málo kontrastních materiálů pomocí zobrazení fáze. V oblasti tvrdého rtg záření se metody mikrotomografie a fázového kontrastu široce využívají pro zobrazení vnitřní struktury součástek či materiálů s vnitřní strukturou. Prášková difrakce slouží k určení struktury práškových materiálů (organických i anorganických) či mikrokrystalitů a změny struktury v závislosti na experimentálních podmínkách v širokém rozsahu teplot či tlaků. Rtg difrakce v malých i velkých úhlech se na synchrotronu široce využívá zejména s ohledem na vysokou intenzitu nutnou pro studium nízkodimenzionálních objektů (nanostruktury), pro laditelnost ve vlnové délce a v poslední době též pro variabilitu ve velikosti stopy dopadajícího záření. Spektroskopie bude moci být využívána v celé šíři metod, jako jsou absorpční či magnetická spektroskopie, synchrotronová Mössbauerovská spektroskopie, fotoemise. Infračervené metody pro mikroskopii, elipsometrii a spektroskopii prováděné na synchrotronu se odlišují od laboratorních zdrojů zejména vzhledem k vysoké intenzitě a celé šířce IČ spektra. Mohou studovat vodivé i polovodivé materiály, organické a biologické látky či piezo- a ferroelektriku. Chemické reakce v plynné fázi (slouží ke studiu reakčních mechanizmů, klastrů, enzymů, aj. v (bio)organické i analytické chemii) mohou být zkoumány pomocí fotoionizace fotony z VUV spektra a následnou hmotnostní spektroskopií kombinovanou s fluorescenční spektroskopií. V návrhu pro CESLAB je též univerzální optická linie, která bude sloužit k testování nových zařízení, instrumentů či metrologii optických komponent a bude ji možné též využít pro širokou škálu netypických a nových experimentů; zároveň bude použitelná i jako zkušební či učební linie pro výuku studentů.
PETR MIKULÍK,
Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity, Brno
English
