XAFS e radiazione di sincrotrone: perché serve

La XAFS richiede una sorgente di raggi X molto particolare: intensa, a energia continuamente regolabile e ben collimata. Solo la radiazione di sincrotrone riunisce queste caratteristiche, ed è per questo che quasi tutti gli esperimenti XAFS si fanno presso grandi anelli di accumulazione. Capire perché aiuta a comprendere anche cosa si può e non si può misurare.

Vediamo perché la XAFS ha bisogno del sincrotrone, che cos’è la brillanza, come si seleziona l’energia, e quali misure avanzate la luce di sincrotrone rende possibili.

Perché serve una sorgente speciale

Per fare XAFS occorre scandire con continuità l’energia dei raggi X attorno alla soglia di un elemento, mantenendo una larghezza di banda molto stretta — dell’ordine dell’elettronvolt — per risolvere le strutture fini. Una sorgente di raggi X da laboratorio emette poche righe fisse e un fondo continuo debole: non è né abbastanza intensa né abbastanza accordabile. La radiazione di sincrotrone, invece, è un continuo intensissimo da cui si può estrarre qualsiasi energia con un monocromatore.

Che cos’è la radiazione di sincrotrone

Si chiama così perché fu osservata per la prima volta in acceleratori chiamati sincrotroni. È la luce emessa da particelle cariche (elettroni o positroni) che viaggiano a velocità prossime a quella della luce e vengono deviate dai campi magnetici lungo un anello di accumulazione, di circonferenza che può arrivare a centinaia o migliaia di metri. La deviazione fa emettere alle particelle un fascio di raggi X intensissimo, su un ampio intervallo di energie, concentrato in un cono molto stretto nella direzione del moto.

particelle relativistiche deviate  →  raggi X intensi, a banda larga, accordabili

La brillanza

La grandezza che misura la qualità di una sorgente di raggi X per la XAFS non è solo il flusso totale di fotoni, ma la brillanza: il numero di fotoni emessi per unità di tempo, di area della sorgente, di angolo solido e di larghezza di banda. La brillanza tiene conto del fatto che il fascio sia anche piccolo, poco divergente e «monocromatizzabile». La brillanza delle sorgenti di sincrotrone supera quella delle sorgenti da laboratorio di molti ordini di grandezza, ed è ciò che rende possibili misure altrimenti impensabili.

Selezionare l’energia: il monocromatore

Dal continuo del sincrotrone si estrae l’energia voluta con un monocromatore a cristallo, di solito di silicio: ruotando il cristallo si sfrutta la diffrazione di Bragg per selezionare un’energia precisa, e variando l’angolo si scandisce l’energia. Il silicio è scelto per le sue ottime proprietà di diffrazione e termiche, perché il fascio intenso scalda il cristallo e le derive termiche possono spostare l’energia se l’ottica non è molto stabile. La brillanza alta e il fascio piccolo permettono inoltre di focalizzare i raggi X su aree molto ridotte.

Le misure avanzate

La brillanza del sincrotrone apre misure altrimenti impossibili. Sui campioni diluiti — un metallo in tracce dentro una proteina o un suolo — si usa la rivelazione in fluorescenza, che misura i raggi X riemessi dall’elemento di interesse separandoli dal fondo, e che richiede un’alta intensità per dare segnale sufficiente. La scansione rapida del monocromatore (Quick-XAFS) e le tecniche a risoluzione temporale permettono di seguire trasformazioni in pochi secondi o meno.

Perché conta nella pratica

Sapere che la XAFS richiede il sincrotrone spiega molte cose pratiche: perché non si fa «in laboratorio» come un IR, perché il tempo di misura va richiesto e programmato in anticipo, perché si possono studiare campioni molto diluiti e seguirne l’evoluzione in tempo reale. Per chi caratterizza catalizzatori, batterie o siti metallici, l’accesso al sincrotrone e la scelta della modalità di misura (trasmissione o fluorescenza, statica o in operando) sono decisioni che determinano cosa si potrà effettivamente ricavare dall’esperimento.

Domande frequenti

Perché la XAFS richiede la radiazione di sincrotrone?

Perché occorre scandire con continuità l’energia dei raggi X attorno alla soglia di un elemento, mantenendo una banda molto stretta e un’intensità elevata. Le sorgenti da laboratorio emettono poche righe fisse e un fondo debole, insufficienti. Il sincrotrone fornisce un continuo intensissimo da cui un monocromatore estrae qualsiasi energia, con la brillanza necessaria a misure rapide e su campioni diluiti.

Che cos’è la radiazione di sincrotrone?

È la luce emessa da particelle cariche (elettroni o positroni) che, viaggiando a velocità quasi luminale lungo un anello di accumulazione, vengono deviate dai campi magnetici. La deviazione genera un fascio di raggi X intensissimo, su un ampio intervallo di energie e concentrato in un cono stretto. Da quel continuo si seleziona l’energia voluta per l’esperimento XAFS.

Che cos’è la brillanza?

È una figura di merito di una sorgente di raggi X: i fotoni emessi per unità di tempo, area, angolo solido e larghezza di banda. A differenza del flusso totale, premia un fascio piccolo, poco divergente e in banda stretta. La brillanza del sincrotrone supera di molti ordini di grandezza quella delle sorgenti da laboratorio, rendendo possibili misure su campioni diluiti e ad alta risoluzione.

Come si seleziona l’energia dei raggi X?

Con un monocromatore a cristallo, tipicamente di silicio, che sfrutta la diffrazione di Bragg: ruotando il cristallo si seleziona un’energia precisa e variandone l’angolo si scandisce l’energia attorno alla soglia. Il silicio è preferito per le buone proprietà di diffrazione e termiche, importanti perché il fascio intenso scalda l’ottica e le derive termiche possono falsare l’energia.

Che cosa sono le misure in operando?

Sono misure XAFS condotte mentre il sistema funziona realmente: per esempio seguendo lo stato di ossidazione e l’intorno del metallo attivo di un catalizzatore durante la reazione, o degli elettrodi di una batteria durante carica e scarica. L’alta intensità e la scansione rapida del sincrotrone le rendono possibili, cogliendo lo stato chimico del sito attivo nel momento in cui agisce.