MAPA DROGOWA UMACNIA NAUKĘ EUROPEJSKĄ

Transcription

Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
MAPA DROGOWA UMACNIA NAUKĘ EUROPEJSKĄ
• Paneuropejska Infrastruktura dla Celów Badań Nanostruktur (Pan-European Research Infrastructure for
Nano-Structures, PRINS), która ma w ramach Europejskiej Platformy Technologicznej ENIAC utworzyć
pomost między nauką i rynkiem dla zapewnienia przejścia od mikroelektroniki do nanoelektroniki.
Polska uczestniczy na zasadach pełnoprawnego członkostwa w dwóch projektach: pierwszy z nich to wymieniony wyżej XFEL, a drugi to projekt FAIR, czyli Facility for
Antiproton and Ion Research (Instalacja dla Badań Antyprotonów i Jonów) - unikalny w skali światowej zespół akceleratorów cząstek i ciężkich jonów - który ma powstać w
poprzez rozbudowę istniejącego Instytutu Badań Ciężkich
Jonów (GSI) w Darmstadt dla celów badań w dziedzinie fizyki jądrowej, a także w zakresie materii skondensowanej i
medycyny. Natomiast projekt polskiego lasera ultrafioletowego na swobodnych elektronach POLFEL, planowanego w
Świerku, został włączony do konsorcjum IRUVX.
Zadaniem opublikowanej 19 października 2006 roku
Mapy Drogowej jest wskazanie kierunków działania przeznaczona jest dla polityków, naukowców, instytucji
finansowych i przemysłu. Realizacja niektórych zadań
wyznaczonych przez MD zakończy się już w roku 2008.
Stopniowa realizacja wszystkich zadań umocni europejską
przestrzeń badawczą.
Pod koniec czerwca b.r. Zarząd Europejskiego Forum
Strategicznego d/s Infrastruktury Badawczej określił harmonogram prac związanych z uaktualnieniem Europejskiej
Mapy Drogowej. Celem tego działania, które jest odpowiedzią na reakcję środowisk naukowych po opublikowaniu
MD, jest przede wszystkim uwzględnienie możliwości i
aspiracji dwunastu nowych członków UE w zakresie projektów międzynarodowych, w sposób spójny z ogólną wizją
w skali regionalnej i narodowej. W marcu tego roku utworzono Grupę Roboczą (time-limited Working Group), która ma przygotować materiały na jesienne spotkanie ESFRI
dotyczące nieuwzględnionych dotychczas inicjatyw narodowych, regionalnych i ponadregionalnych, spełniających wymagania „zrównoważonego rozwoju”.
Po wykładzie odbyła się dyskusja, podczas której padło
szereg pytań do prof. Wooda dotyczących głównie możliwości, a także i sposobów włączenia polskich dużych i kluczowych projektów do programów już uwzględnionych w Mapie
Drogowej lub w ramach jej przygotowywanej aktualizacji.
Zasadniczym problemem wydaje się wypracowanie właściwej polityki co do uwzględnienia projektów narodowych i
regionalnych (takich jak Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Polsce) i wkomponowanie ich w
cały krajobraz europejskiej infrastruktury badawczej np. w
formie „urządzeń satelitarnych”. Ma to istotne znaczenie jeśli chodzi o wykorzystanie funduszy strukturalnych i dostęp
do funduszy 7-go Programu Ramowego.
W dniu 31 sierpnia 2007 w Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego odbyło się spotkanie przedstawicieli polskich kluczowych projektów badawczych z profesorem Johnem Woodem, dyrektorem Centralnego Laboratorium Rad
Naukowych w Wielkiej Brytanii (CCLRC) i przewodniczącym Europejskiego Forum Strategicznego d/s Infrastruktury
Badawczej (European Strategy Forum on Research In-frastructures, ESFRI*). Z racji tej ostatniej funkcji prof. Wood
wygłosił wykład pod tytułem „European Roadmap for Research Infrastructures”. ESFRI to organizacja powołana do życia w kwietniu 2004, w której zasiadają przedstawiciele 27
krajów członkowskich UE i 5 krajów stowarzyszonych oraz
delegat Komisji Europejskiej (EC). Zasadniczym celem ESFRI jest wypracowanie długoterminowej, skoordynowanej
na poziomie europejskim, polityki dotyczącej dużych projektów i urządzeń infrastruktury badawczej. Pracę nad Mapą
Drogową (MD) rozpoczęto oficjalnie w listopadzie 2004 r.
Prowadziło ją 1000 ekspertów z dwudziestu siedmiu krajów
członkowskich i pięciu krajów stowarzyszonych. Spośród
ponad dwustu zgłoszonych projektów na Mapie ostatecznie
pozostało 35. W większości są to inicjatywy na poziome europejskim, a niektóre wymagają współpracy z partnerami
z innych kontynentów. Priorytetowe dziedziny określone
przez Mapę Drogową to, w oryginalnym brzmieniu, Social
Science and Humanities, Environmental Sciences, Energy,
Biomedical and Life Sciences, Material Sciences, Astronomy, Astrophysics and Nuclear Physics, Computer Data Treatment, Particle and Space Physics. Dla czytelników biuletynu szczególne znaczenie ma informacja, że wśród siedmiu
projektów w dziedzinie nauki o materiałach aż cztery dotyczą inicjatyw budowy i rozwoju ośrodków synchrotronowych i laserowych. Jest to ilustracja nieodwracalnego trendu
obserwowanego w tej dziedzinie nauki - dla określenia własności materiału coraz częściej konieczne jest zastosowanie
wiązek promieniowania o parametrach niemożliwych do
uzyskania w klasycznym laboratorium. Ogólnoeuropejskie
projekty w dziedzinie materiałoznawstwa obejmują:
• stworzenie infrastruktury ELI (Extreme Light Infrastructure), obejmującej oddziaływanie promieniowania
laserowego z materią; sub-infrastuktury określone w
ramach tego projektu, Ultra-High Field Science, Attosecond Laser Science i High Energy Beam Facility będą
miały duże znaczenie dla medycyny, badań materiałów
i dla nauki o środowisku,
• unowocześnienie synchrotronu w ESRF, dla zapewnienia wysokiego poziomu badań w różnych dziedzinach
nauki wykorzystujących wiązki synchrotronowe,
• budowę najnowocześniejszego w skali światowej spalacyjnego źródła neutronowego z konstrukcyjnie zagwarantowaną możliwością dalszej modernizacji, wyposażonego w ponad dwadzieścia lini pomiarowych,
• budowę Europejskiego Lasera na Swobodnych Elektronach w Hamburgu (XFEL),
• unowocześnienie reaktora w ILL z celem wytwarzania
wiązek powolnych neutronów,
• utworzenie konsorcjum IRUVX mającego na celu rozwój w Europie laserów na swobodnych elektronach,
Wojciech Paszkowicz, Edward A. Görlich
*) http://cordis.europa.eu/esfri/
W. Paszkowicz, E.A Görlich
Mapa Drogowa umacnia naukę europejską
The Road Map strengthens the European science
CONTENTS
abstract page
I
II
Synchrotron Light News
1
KSUPS-7 – 7. Krajowe Sympozjum
Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego
oraz
1 Krajowa Konferencja „Polski Synchrotron – linie eksperymentalne”
KSUPS-7 – 7th National Symposium of Synchrotron Users
and
1st National Conference “ Polish Synchrotron – experimental beamlines”
A. Kisiel
A. Witkowska
M. Gilski
A. Bródka
A. Patkowski, J. Gapiński, A. Fluerasu,
P. Holmqvist, G. Meier, M.P. Lettinga,
G. Nägele
W. Rypniewski
R. Sobierajski
B.J. Kowalski
E.A. Görlich
Information on 7th National Symposium of Synchrotron Users
3
Programme of 7th National Symposium of Synchrotron Users
5
Information on 1st National Conference “ Polish Synchrotron
– experimental beamlines”
7
Programme of 1st National Conference “ Polish Synchrotron
– experimental beamlines”
8
KSUPS: invited lectures
Synchrotronowe metody analizy struktury elektronowej pasma
przewodnictwa kryształów
Synchrotron methods of the conduction band electronic
structure analysis
EXAFS – sonda lokalnej struktury układów
nieuporządkowanych
EXAFS – a local structural probe for disordered systems
Zdalne sterowanie pomiarami synchrotronowymi
Remote synchrotron data collection
Badanie nanostruktur węglowych metodą
wysokoenergetycznej dyfrakcji promieni rentgenowskich
Investigation of carbon nanostructures using the high-energy
Xray diffraction method
Struktura i dynamika układów koloidalnych - badania
za pomocą XPCS
Structure and dynamics of colloidal suspensions studied
by means of XPCS
Zastosowanie promieniowania synchrotronowego
w biokrystalografii
Application of synchrotron radiation in biocrystallography
Światło dla nauki: Europejski Rentgenowski Laser
na Swobodnych Elektronach
Light for science: European Free Electron X-ray Laser
Fotoemisyjne badania układów półprzewodnikowych
preparowanych in situ
Photoelectron spectroscopy of semiconductor systems prepared
in situ
Projekt synchrotronowego źródła światła w Polsce
The project of the synchrotron light source in Poland
II
L1
9
L2
10
L3
11
L4
12
L5
13
L6
14
L7
15
L8
16
L9
17
W. Gawelda, V.-T. Pham, A. El Nahhas,
C. Milne, R. van der Veen, M. Kaiser,
S.L. Johnson, D. Grolimund, R. Abela,
C. Bressler, M. Chergui
J. Stolarski, R. Przeniosło, M. Mazur,
M. Brunelli
M.T. Klepka, K. Lawniczak-Jablonska,
I.N. Demchenko, N. Nedelko,
A. Slawska-Waniewska, C.A. Rodrigues,
C. Bordini
W. Szczerba, M. Sikora, M. Borowiec,
D.A. Zajac, P. Chometowski,
Cz. Kapusta, M.R. Ibarra
M. Basiura, B. Goderis, V.B.F. Mathot,
J. Sworen, K.B. Wagener
M.J. Sadowski, R. Mirowski,
R. Nietubyć, P. Strzyżewski, S. Tazzari,
L. Catani, A. Cianchi, J. Lorkiewicz,
R. Russo
K. Schneider, P. Kwaśniewski,
Cz. Kapusta, D. Zając, C.I. Marquina,
M.R. Ibarra, A. Świerczyna, A. Urbanik
G. Wrochna
J.B. Pełka
H. Drozdowski
J. Bąk-Misiuk, P. Romanowski,
E. Dynowska, J.Z. Domagała,
E. Łusakowska, A. Misiuk, J. Sadowski,
A. Barcz, W. Caliebe
Ł. Hawełek, A. Bródka, J.C. Dore,
V. Honkimaki, A. Burian
J. Darul, W. Nowicki, P. Piszora
P. Dąbrowski, Z. Klusek, P. Kowalczyk,
A. Busiakiewicz, W. Kozłowski
H. Drozdowski,
K. Nowakowski
E. Dynowska, W. Szuszkiewicz,
J.Z. Domagała, E. Janik, T. Wojtowicz,
W. Caliebe
E. Dynowska, W. Szuszkiewicz,
A. Szczepańska, P. Romanowski,
Ch. Lathe
KSUPS: oral presentations
Badanie reakcji molekularnych za pomocą ultraszybkiej
rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej
Probing molecular reactions via ultrafast X-ray absorption
spectroscopy
Struktura krystaliczna biomineralnego szkieletu koralowców
scleractinia: badania metodą dyfrakcji promieniowania
synchrotronowego
Crystal structure of biomineral scleractinia coral skeleton:
Studies using the method of synchrotron radiation diffraction
X-ray absorption spectroscopy investigation of Fe in metal
chitosan complex
O1
18
O2
19
O3
20
A XAFS study of surface oxidised Fe particles
O4
21
Mezomorficzna faza w precyzyjnie rozgałęzionych
polietylenach
Mesomorphic phase in precisely branched polyethylenes
Osadzanie nadprzewodzących warstw niobu we wnękach
rezonansowych akceleratorów cząstek
Deposition of superconducting niobium films inside rf-cavities
of particle accelerators
Badania nanocząstek magnetycznych jako potencjalnych
kontrastów do MRI
Magnetite-based nanoparticles as contrast agents for MRI
Proposal for Polish free electron laser “ POLFEL”
at the Institute for Nuclear Studies at Świerk
Promieniowanie synchrotronowe w naukach biomedycznych
– stan obecny i spojrzenie w przyszłość
Synchrotron radiation in biomedical sciences. present state
and a look ahead
Mechanizm powstawania promieniowania synchrotronowego
w pulsarach
The mechanism of generation of synchrotron radiation
by pulsars
O5
22
O6
(ext)
23
O7
26
O8
27
O9
28
O10
(ext)
29
P1
30
Fullerenopodobna struktura węgli aktywnych
Fullerene-like structure of active carbons
Low temperature structural behaviour of the lithium iron spinels
Investigations of the reduced TiO2(001) surface
by the XPS/AES/UPS and STM/STS techniques
X-ray diffraction studies of liquid methylcyclohexane
C6H11−CH3 structure at 293 K
Structural characterization of MBE-grown ZnTe nanowires
P2
31
P3
P4
32
33
P5
(ext)
P6
34
High-pressure phase transitions in Cd1-xMnxTe mixed crystals
P7
37
KSUPS: poster presentations
Effect of annealing on creation of nanoclusters in GaMnAs
III
36
G. Kowalski, J. Gronkowski, A. Hruban
X-ray high-resolution diffraction study of GaInAs grown
by a modified Czochralski method
XAS study of Mg based phases in ilmenites
P8
38
P9
39
Structural study of the bicellar phase made of DMPC and
cationic surfactant
High temperature annealing modification of the local atomic
structure around Mn atoms in (Ga,Mn)As layers
P10
40
P11
41
Local iron neighbourhood in compounds used in cancer
therapy: EXAFS studies
P12
42
Przydatność rentgenowskiej dyfrakcji proszkowej w badaniach P13
składników kompozytów cementowych poddanych działaniu
promieniowania gamma
Usefulness of X-ray powder diffraction in studies of components
of cement composites irradiated by gamma rays
43
L. Domka, A. Malicka
Structural study of polyethylene/montmorillonite systems
P14
44
A. Malicka, L. Domka, P. Gajdus,
W. Hędzelek
A. Malinowska, M. Lefeld-Sosnowska,
K. Wieteska, W. Wierzchowski,
A. Pajączkowska, W. Graeff
W. Hedzelek, R. Wachowiak,
A. Marcinkowska, L. Domka
M. Markiewicz, M. PasenkiewiczGierula, P. Serda, T. Librowski,
S. Mogilski, H. Marona, S. Hodorowicz
J.M. Michalik, M. Sikora, Cz. Kapusta,
J.M. De Teresa, O. Mathon
R. Minikayev, W. Paszkowicz,
P. Piszora, M. Knapp, C. Bähtz
A. Misiuk, J. Bak-Misiuk,
W. Wierzchowski, B. Surma, K. Wieteska,
I. Capan, W. Graeff, A. Barcz, W. Jung,
I.V. Antonova, M. Prujszczyk
R. Nietubyć, E. Czerwosz, R. Diduszko,
M. Kozłowski
R. Nietubyć, R. Diduszko, D. Savytskii
Modified aramide as reinforcement of acrylic resin
P15
45
Conventional and synchrotron X-ray topography of defects
in the core region of SrLaGaO4
P16
46
Infrared spectroscopic identification of chosen dental materials P17
and natural teeth
The influence of non-steroidal antiinflammatory drugs
P18
on the membrane structure
47
X-MCD in the Cr-Re based double perovskite at high pulsed
magnetic fields
Thermal expansion of α and β silicon nitrides
P19
49
P20
50
Revealing the irradiation-induced defects in Czochralski silicon P21
by high temperature–pressure treatment
51
XAFS study of the short range order in Ni nanoparticles
embedded in carbonaceous matrix
XAFS study of doping-induced deviation of oxygen sites from
the collinearity with gallium in rare earth gallates
Effect of small amount of lithium and iron ions doping
in the lithium-manganese oxide spinel structure
Gd 4f electrons contribution to Si/Gd valence band
P22
52
P23
53
P24
54
P25
55
Fano resonance investigation of PbTe layers
with Eu and Gd ions
P26
56
M.T. Klepka, K. Lawniczak-Jablonska,
I.N. Demchenko, R. Minikayev,
M. Jabłoński, V. Kontozova,
A. Przepiera
M. Kozak
I.N. Demchenko, K. LawniczakJablonska, T. Story, V. Osinniy, R. Jakiela,
J.Z. Domagala, J. Sadowski, M. Klepka,
A. Wolska, M. Chernyshova
M.S. Walczak, K. Lawniczak-Jablonska,
A. Sienkiewicz, M. Czuba, M. Klepka,
A. Graczyk
A. Łowińska-Kluge, P. Piszora
W. Nowicki, J. Darul, P. Piszora
B.A. Orlowski, B.J. Kowalski,
E. Guziewicz, E. Lusakowska,
V. Osinniy, I.A. Kowalik, M.A. Pietrzyk,
E. Nossarzewska-Orlowska,
A. Bukowski, R.L. Johnson
B.A. Orlowski, V. Osinniy, P. Dziawa,
M. Pietrzyk, B.J. Kowalski,
B. Taliashvili, T. Story, R.L. Johnson
IV
48
A.Palewicz, R. Przeniosło, I. Sosnowska,
A.W. Hewat, I. Margiolaki
W. Paszkowicz, R. Minikayev,
J. Piętosa, C. Lathe, J. Nowak
W. Paszkowicz, P. Piszora, F. Firszt,
H. Męczyńska, S. Łęgowski, M. Knapp,
C. Baehtz
W. Paszkowicz, W. Szuszkiewicz,
A. Yamaguchi, C. Lathe, E. Dynowska,
J.Z. Domagała
M.A. Pietrzyk, B.J. Kowalski,
B.A. Orlowski, W. Knoff, V. Osinniy,
I.A. Kowalik, T. Story, R.L. Johnson
M.A. Pietrzyk, B.J. Kowalski,
B.A. Orlowski, V. Osinniy,
W. Dobrowolski, Z. Golacki, R.L. Johnson
M.A. Pietrzyk, B.A. Orlowski,
B.J. Kowalski, P. Dziawa, V. Osinniy,
B. Taliashvili, R.L. Johnson
P. Piszora, M. Kozak, J. Darul,
W. Nowicki, A. Muszyński, D. Trots
P. Piszora, W. Nowicki
W.M. Kwiatek, M. Podgórczyk,
Cz. Paluszkiewicz, A. Balerna,
A. Banaś, A. Kisiel, G. Falkenberg
P. Romanowski, J. Bak-Misiuk,
E. Dynowska, A. Shalimov, S. Kret,
P. Dluzewski, A. Misiuk, W. Caliebe,
W. Szuszkiewicz
M. Rut-Marcinkowska
K. Schneider, P. Peczkis, Cz. Kapusta,
D. Zajac, P. Pasierb, M. Rekas
K. Schneider, M. Sikora, Cz. Kapusta,
K. Michalow, Th. Graule, A. Vital,
M. Radecka, M. Rekas, D. Zajac
L. Domka, N. Stachowiak, A. Malicka
P. Starowicz, C. Battaglia, F. Clerc,
A. Prodan, L. Despont,
H.J.P. van Midden, A. Szytuła,
M.G. Garnier, P. Aebi
K. Szpotkowski, M. Kozak, L. Domka,
S. Jurga
M. Kozak, G. Ślósarek, A. Szymańska
D. Wardecki, R. Przeniosło, J. Stolarski,
M. Mazur, M. Brunelli
W. Wierzchowski, K. Wieteska,
T. Balcer, A. Malinowska, W. Graeff,
W. Hofman
Atomic displacements in BiFeO3 as a function of temperature
P27
57
High-pressure study of α and β polymorphs of germanium
nitride
Lattice parameters of (Zn,Mg)Se crystals as a function
of temperature
P28
(ext)
P29
58
High-pressure diffraction study of α’-Al2CO
P30
61
Mn 3d contribution to the valence band of Mn/GeMnTe
P31
62
Resonant photoemission study of GeEuTe and GeFeTe
P32
63
Valence band of PbGdTe layer under Gd atoms deposition
P33
64
Synchrotron X-ray powder diffraction studies on the Morasko
meteorite
Influence of iron-ion substitution on the pressure-induced
phase transition in LiMn2-xFexO4
Zn and S XANES analysis of prostate tissues and cells
P34
65
P35
66
P36
67
Structure of Si:Mn annealed under ambient and enhanced
stress conditions
P37
68
Analiza wyników badań nad przyswajaniem wiedzy
o promieniowaniu synchrotronowym w szkołach
ponadpodstawowych
Analysis of assimilation of knowledge on synchrotron radiation
in middle schools
XAFS study of protonic solid electrolytes
P38
69
P39
70
XAFS study of TiO2-based photoelectrode materials
P40
71
Production and structural investigation of polyethylene
composites with modified kaolin
Charge density waves and superconductivity in ZrTe3
P41
72
P42
73
SAXS studies of DPPC-cationic surfactant system
P43
74
The SAXS and rheological studies of HEWL amyloid formation
In situ studies of the aragonite-calcite transition in mineral
and biogenic materials
Application of back-reflection topographic methods
for identification of dislocations in 6H and 4H SiC crystals
P44
P45
75
76
P46
77
60
K. Wieteska, W. Wierzchowski,
E. Wierzbicka, A. Malinowska,
M. Lefeld-Sosnowska, T. Łukasiewicz,
W. Graeff
A. Wolska, I.N. Demchenko,
K. Lawniczak-Jablonska, M. Klepka,
J. Sadowski, E. Holub-Krappe,
A. Persson, D. Arvanitis
M. Kozak, S. Wołoszczuk, M. Banaszak,
M. Radosz
D. Zając, D. Chylarecka, Cz. Kapusta,
R. Podgajny, B. Sieklucka, A. Rothkirch,
A. Webb
D. Klinger, R. Sobierajski, R. Nietubyć,
J. Krzywiński, J. Pełka, M. Jurek,
D. Żymierska, S. Guizard, H. Merdji
P. Grochulski
W. Szuszkiewicz
M. Gilski
J. Pelka
D. Żymierska
K. Jabłońska
E.A. Görlich, W. Paszkowicz
X-ray topographic studies of defect structure in YVO4 crystals
P47
78
XANES studies of Mn K and L3/2 edges in the (Ga,Mn)As
layers modified by high-temperature annealing
P48
79
Small angle X-ray scattering study of selected diblock
copolymers
A synchrotron study of high dimensional cyano-bridged
networks of 3d,4d-5d elements
P49
80
P50
81
Structural modification of poly(methyl methacrylate) by single
femtosecond pulse
P51
82
regular contributions
Are the bending magnet beamlines appropriate for protein
crystallographers?
Po co fononom synchrotron?
Studies of phonons with the use of synchrotron radiation:
what for?
Automatyzacja pomiarów synchrotronowych
Automatisation of synchrotron measurements
Promieniowanie synchrotronowe w biologii i medycynie
Synchrotron radiation in biology and medicine
Z życia PTPS
News from the PSRS
Jobs at ESRF
Warsztaty Naukowe „Zastosowanie absorpcji rentgenowskiej
do określania lokalnej struktury atomowej i elektronowej
materiałów”
Workshop “Application of X-ray absorption spectroscopy
to determination of local atomic and electronic structure
of materials”
Panel Discussion “Crystallographic Applications of the Polish
Synchrotron” at the Symposium of the Polish Crystallographic
Society, Wrocław, 29–30.06. 2007
European Powder Diffraction Conference, EPDIC-11,
18–22.09. 2008
First Meeting of International Advisory Committee for Polish
Synchroron Project, Kraków, 13-15.02. 2007
9th International School and Symposium on Synchrotron
Radiation in Natural Science (ISSRNS’2008), Ameliówka,
15-20.06. 2008
BRUKER
Skorowidz autorow
Useful addresses / conferences organised by PSRS
Conference proceedings of meetings organised / co-organised
by Polish Synchrotron Radiation Society, 1992-2005
VI
83
90
95
99
108
19
110
112
113
114
115
116
117
117
118
Synchrotron Light News / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
SYNCHROTRON LIGHT NEWS
Membership of Poland in ESRF. The web page of the
Polish membership in ESRF was created under address:
http://info.ifpan.edu.pl/esrf/Local_Publish/.
The information about these projects with the participation
of Polish scientists, for whom the beamtime was allocated,
short reports from performed experiments, photos of Polish
users, statistics [of the use of ESRF beamlines] and other
useful information can be found there.
The Polish representative in the ESRF Council is
Prof. Krystyna Jabłońska, President of the PSRS, and in
the Administrative and Financial Committee - doc. dr hab.
Bogdan Kowalski, a member of PSRS Council.
The Polish representatives have already took part in the
meetings at ESRF and get be acquainted with problems
discussed there. Negotiations with representatives of three
Associated Members of ESRF (Israel, Portugal and Austria) to form a Consortium to be a full ESRF member were
initiated by Polish representatives.
First Conference on collaboration of East-central European countries at the Polish synchrotron Project, Zakopane,
May 11-13, 2007. The scientists representing synchrotron
radiation users’ community from Austria, Czech Republic,
Hungary, Slovakia and Poland were invited to take part in the
first meeting on our regional collaboration (see Fig. 1). The
Conference took place in Zakopane, May 11-13, 2007.
The following main issues have been addressed and discussed:
1. Present status of the Polish Synchrotron project,
2. Presentation of the official science policies in our
countries,
3. Estimation of present and future interest of researchers of
our countries in particular fields of the SR science,
4. Feasibility of creation of certain specialized beamlines
at the top quality level,
5. Financial framework of cooperation: no direct financial
participation is expected. However it is possible and
welcome e.g. in the form of beamline ownership,
6. A level of contacts (institutions, societies, governments),
7. Organisational forms - participation in the Users Advisory Committee,
8. Feasible ‘human resources’ in our countries: Education
& training of young scientists (in particular in accelerator physics),
9. Possibility of extending the Centralsync initiative on
matters concerning the collaboration on the access to
the future facility.
The delegates of Czech Republic informed that the idea of building a synchrotron light source at Brno was recently born. The
project should be financed with European structural funds.
The project of the synchrotron radiation source in Kraków
received a broad support of participants of the meeting and
the idea of close collaboration was eagerly welcome.
Attempts will be made to achieve a formal support from in-
terested countries, at the highest possible level. To accomplish this task, broad information on the enterprise should
be made available to scientific institutions and research
communities of our countries.
In general opinion of the speakers, one of the basic advantages of availability of the synchrotron source in this part
of Europe is the considerable increase in number of active users. This is the most desired result as a number and
structure (represented scientific disciplines) are by far not
satisfactory as compared to leading countries of the world.
As far as a practical form of the involvement is concerned,
one of possible actions may be construction of beamlines
by international groups or consortia dedicated to these specific tasks. It is worthwhile to devote much effort to create
beamlines and end-stations for specific, particular applications at the most advanced level. A broad representation
of countries of the region will be secured in the advisory
bodies of the facility.
European XFEL project. Construction of the European Xray laser facility, XFEL, starts in early 2008. On
June 5, 2007, the German Federal Minister of Education
and Research, Dr. Annette Schavan, officially launched
the XFEL facility (see Fig. 2). “The funding negotiations
with the 12 interested countries are so far advanced that
the construction of this new research facility, which is very
much sought after by the international scientific community, can now begin,” said Schavan in front of representatives of the press and the guests of the launching ceremony.
Read more at http://www.xfel.net/XFELpresse/en/pressemeldungen/2007-06-05/index.html. The representative of
Polish government Dr. Jacek Gierliński was present at the
ceremony (second from the left in Fig. 2).
Consortium XFEL–Polska. The Polish Consortium XFEL
– Polska was created in January 2007. Information about
consortium activity can be found at the web page http://
www.xfel.pl/. The main goal of the Consortium is to appoint a company with limited liability to take Polish share
in XFEL as well as to act in the direction of significant
participation of Poland in the construction and exploitation
of the facility. Eighteen Polish scientific, educational and
industrial institutions formed the Consortium. For the next
four years the Soltan Institute for Nuclear Studies under
leadership of Dr. Sci. Grzegorz Wrochna was chosen as a
Consortium coordinator and representative. Other institutions can join the Consortium at any time.
A project of free electron laser in Poland. A project for
financing from structural funds of a free electron laser,
POLFEL (Świerk) has been submitted to Ministry of Science and Higher Education (http://www.polfel.pl).
Next ISSRNS Meeting. 9th ISSRNS Meetring will be held
in the Ameliówka Hotel (Mąchocice/Masłów near Kielce, in
the Saint Cross Mountains region, central Poland) in June
2008. For more detailed information see the end pages of this
volume.
Synchrotron Light News / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
Figure 1.
Figure 2.
KSUPS-2007: Welcome / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
7. Krajowe Sympozjum
Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego
Poznań, 24-26 września 2007
organizowane przez
Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego
Wydział Fizyki i Wydział Chemii
Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
Komitet Programowo-Organizacyjny KSUPS 2007
Przewodniczący - Maciej Kozak (UAM)
Wiceprzewodniczący - Paweł Piszora (UAM)
Sekretarz - Kamil Szpotkowski (UAM)
Skarbnik - Wojciech Kwiatek (IFJ PAN)
Wydawca - Wojciech Paszkowicz (IF PAN)
Członkowie
Andrzej Burian (UŚ)
Jolanta Darul (UAM)
Krystyna Jabłońska (IF PAN)
Danuta Żymierska (IF PAN)
Sponsorzy
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
BRUKER Polska Sp. z o.o.
KSUPS-2007: Welcome / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
Fot. 1. Collegium Chemicum.
Fot. 2. Collegium Physicum.
Fot. P. Piszora
Fot. M. Kozak
WELCOME TO KSUPS 2007
Siódme Krajowe Sympozjum Użytkowników Promienio-wania Synchrotronowego (7 KSUPS) odbywa się
w dniach 24-26 września 2007 roku w Poznaniu. Jest to kolejna konferencja naukowa, z cyklu spotkań odbywających
się co dwa lata pod patronatem Polskiego Towarzystwa
Promieniowania Synchrotronowego (PTPS). Jej organizatorem w tym roku jest Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, we współpracy z Polskim Towarzystwem
Promieniowania Synchrotronowego. Gospodarzami tegorocznego Sympozjum są Wydziały Fizyki i Chemii UAM.
Tematyka obecnego Sympozjum jest bardzo szeroka
i obejmuje niemal wszystkie metody badawcze wykorzystujące promieniowanie synchrotronowe, jak również jego
zastosowanie w nanotechnologii, chemii i fizyce materiałowej, biologii, paleobiologii oraz medycynie.
Cyklicznie organizowane konferencje KSUPS od wielu lat cieszą się dużym uznaniem polskich naukowców.
W programie tegorocznego spotkania przewidziano dziewięć przeglądowych wykładów plenarnych, poświęconych
różnym metodom badawczym wykorzystującym promieniowanie synchrotronowe. Wykłady te wygłoszone zostaną
przez wybitnych krajowych specjalistów. Ponadto w trakcie
dziesięciu referatów oraz poprzez ok. pięćdziesiąt prezentacji plakatowych przedstawione będą najnowsze wyniki
badań uzyskane przy użyciu promieniowania synchrotronowego. Bardzo ciekawie zapowiada się również prowadzona w trakcie jednego z wykładów zdalna sesja pomiarowa w ESRF.
Nasze tegoroczne spotkanie nabiera szczególnej wymowy. Po sześćdziesięciu latach od pierwszego eksperymentu
wykazującego istnienie promieniowania synchrotronowego
pojawiła się realna szansa stworzenia źródła tego „światła”
również w naszym kraju. Warto podkreślić, że tegoroczne
sympozjum odbywa się w roku, w którym podjęto strategiczną dla polskiego środowiska naukowego decyzję budowy Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Krakowie. Decyzja ta jest konsekwencją znacznej aktywności
krajowych środowisk naukowych w tej dziedzinie. Od niedawna Polska jest członkiem Europejskiego Konsorcjum
Promieniowania Synchrotronowego przy ESRF w Grenoble, a obecnie prowadzi negocjacje w sprawie udziału
w budowie i eksploatacji najnowocześniejszego lasera na
swobodnych elektronach w Hamburgu. Podjęto również
prace nad projektem budowy polskiego źródła laserowego
w Świerku koło Otwocka. W tej sytuacji szczególnej wagi
nabiera przygotowanie kadry młodych badaczy, którzy
będą potrafili wykorzystać te źródła w swojej pracy naukowej. Dlatego optymizmem napawa fakt, iż w kolejnych
Sympozjach coraz liczniej uczestniczą także doktoranci
i studenci.
Tegoroczne Sympozjum, jak sądzimy, nie tylko będzie
stanowić przegląd najnowszych wyników otrzymanych
z wykorzystaniem źródeł synchrotronowych, ale umożliwi
także, w oparciu o doświadczenie użytkowników promieniowania synchrotronowego, sprecyzowanie oczekiwań
w stosunku do projektowanych nowych urządzeń, jak również przyczyni się do jak najpełniejszego wykorzystania
już dostępnych źródeł promieniowania synchrotronowego
przez krajowe ośrodki badawcze.
Komitet Programowo-Organzacyjny 7 KSUPS dziękuje
wszystkim uczestnikom za udział w Sympozjum. Życzymy
owocnych obrad i miłego pobytu w Poznaniu.
KSUPS-2007: Program / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
7. Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego
Poznań, 24-26 września 2007
Program
Poniedziałek, 24 września 2007
Wydział Chemii UAM, ul. Grunwaldzka 6 - Górna Sala Posiedzeń
13:30 - 14:55
Rejestracja (DS ‘JOWITA’, obiad)
15:00 - 15:15
Otwarcie
Synchrotron jako narzędzie badawcze I
15:15 - 15:45
15.45 - 16:30
16:30 - 16:50
A. Kisiel
(UJ Kraków)
A. Witkowska
(PG, Gdańsk)
Przerwa na kawę
Synchrotronowe metody analizy struktury
elektronowej pasma przewodnictwa kryształów
EXAFS – sonda lokalnej struktury układów
nieuporządkowanych
Synchrotron jako narzędzie badawcze II
16:50 - 17:30
M. Gilski
(UAM, Poznań)
17:30 - 17:50
W. Gawelda
(CSIC, Madrid, Spain)
17:50 - 18:10
18:10
Zdalne sterowanie pomiarami synchrotronowymi
Badanie reakcji molekularnych za pomocą
ultraszybkiej rentgenowskiej spektroskopii
absorpcyjnej
J. Stolarski
Struktura krystaliczna biomineralnego szkieletu
(Inst. Paleobiologii PAN,
koralowców scleractinia: badania metodą
Warszawa)
dyfrakcji promieniowania synchrotronowego
Poznań wieczorową porą – wycieczka z przewodnikiem na Poznański Stary Rynek
Wtorek, 25 września 2007
Wydział Fizyki UAM, ul. Umultowska 85 – Aula A
Synchrotron w badaniach struktury krystalicznej i elektronowej I
9:00 - 9:45
9:45 - 10:30
10:30 - 10:50
A. Bródka
(UŚ, Katowice)
A. Patkowski
(UAM, Poznań)
Przerwa na kawę
Badanie nanostruktur węglowych metodą
wysokoenergetycznej dyfrakcji promieni rentgenowskich
Struktura i dynamika układów koloidalnych badania przy pomocy X-PCS
Synchrotron w badaniach struktury krystalicznej i elektronowej II
10:50 - 11:10
11:10 - 11:30
M. Klepka
(IF PAN, Warszawa)
W. Szczerba
(AGH, Kraków)
Badania Fe w kompleksie metal-chitosan metodą
rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej
Badania utlenionej powierzchni cząstek Fe
metodą XAFS
KSUPS-2007: Program / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
Mezomorficzna faza w precyzyjnie rozgałęzionych
polietylenach
11:30 - 11:50
M. Basiura
(ATH, Bielsko-Biała)
12:00 - 13:30
Walne Zebranie Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego
13:30 - 14:15
Przerwa obiadowa
14:15 - 15:45
Sesja posterowa
15:45 - 17:30
Wycieczka do rezerwatu ’Meteoryt Morasko’
18:30
Uroczysta kolacja
Środa, 26 września 2007
Wydział Fizyki UAM, ul. Umultowska 85 – Aula A
Promieniowanie synchrotronowe – podpatrywanie natury I
9:00 - 9:45
9:45 - 10:30
10:30 - 10:50
W. Rypniewski
(IChB PAN, Poznań)
R. Sobierajski
(IF PAN, Warszawa)
Zastosowanie promieniowania synchrotronowego
w biokrystalografii
Światło dla Nauki: Europejski Rentgenowski Laser
na Swobodnych Elektronach
Przerwa na kawę
Promieniowanie synchrotronowe – podpatrywanie natury II
B.J. Kowalski
(IF PAN, Warszawa)
R. Nietubyć
(IPJ, Świerk)
K. Schneider
(AGH, Kraków)
G. Wrochna
(IPJ, Świerk)
Fotoemisyjne badania struktury elektronowej układów
półprzewodnikowych preparowanych in situ
Osadzanie nadprzewodzących warstw niobu we wnękach
rezonansowych akceleratorów cząstek
Badania nanocząstek magnetycznych jako potencjalnych
kontrastów do MRI
Projekt lasera na swobodnych elektronach POLFEL
w Świerku
12:35 – 13:05
J. Pełka
(IF PAN, Warszawa)
Promieniowanie synchrotronowe w biologii i medycynie:
stan obecny i spojrzenie w przyszłość
13:05 - 13:45
Przerwa obiadowa
10:50 - 11:35
11:35 – 11:55
11:55 - 12:15
12:15 - 12:35
Promieniowanie synchrotronowe – podpatrywanie natury III
13:45 – 14:30
E. Görlich
(UJ Kraków)
Projekt synchrotronowego źródła światła w Polsce
14:30 – 14:50
H. Drozdowski
(UAM, Poznań)
Mechanizm powstawania promieniowania
synchrotronowego w pulsarach
14:50 - 15:00
Zamknięcie Sympozjum
Konferencja „Polski Synchrotron..”. / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
PTPS
Organizatorzy:
Uniwersytet Jagielloński
Centrum Promieniowania Synchrotronowego
Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego
Uniwersytet Adama Mickiewicza
Komitet Programowy (koordynatorzy linii):
Edward A. Görlich (UJ), Mirosław Handke (AGH), Mariusz Jaskólski (UAM), Maciej Kozak (UAM),
Wojciech M. Kwiatek (IFJ PAN), Krzysztof Lewiński (UJ), Krystyna Ławniczak-Jabłońska (IF PAN),
Wojciech Paszkowicz (IF PAN), Krzysztof Polewski (AR Poznań), Jacek Szade (UŚ)
Określenie obecnej Konferencji jako I-szej nie oznacza, że jest ona początkiem prac nad oprzyrządowaniem i programem
naukowym polskiego synchrotronu. Ukonstytuowane na spotkaniu w dniu 4 kwietnia 2006 roku zespoły robocze dla siedmiu linii doświadczalnych planowanych do uruchomienia w I-szej fazie pod kierunkiem koordynatorów wniosły zasadniczy wkład w opracowanie „Wniosku o budowę źródła promieniowania synchrotronowego i o utworzenie Narodowego
Centrum Promieniowania Synchrotronowego”, który w czerwcu 2006 roku złożony został w Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego (zob. synchrotron.pl). Od tego czasu prowadzone były dalsze prace zmierzające do określenia założeń
i wymagań technicznych tych linii. Od początku również pojawiły się bardzo ciekawe ‘niezależne’ inicjatywy, pochodzące
od instytucji i konsorcjów naukowych, stworzenia specjalistycznych linii eksperymentalnych dla realizacji określonych
zadań. Na obecnym stopniu zaawansowania projektu pojawia się konieczność przejścia do bardziej szczegółowych ustaleń
i wyboru określonych rozwiązań.
Obecne spotkanie poświęcone planowanym liniom eksperymentalnym przy polskim synchrotronie będzie miało wybitnie
roboczy charakter i w szczególności dotyczyć będzie:
• wstępnego sprecyzowania realistycznych warunków technicznych dla poszczególnych linii (w szczególności przewidywanego typu ID, optymalnej długości linii, prognozowanych kosztów),
• możliwości współkorzystania różnych stacji eksperymentalnych z daną linią,
• przewidywanego układu kabin (hutches) dla danej linii i proponowanej (-nych) stacji, jako założenia dla projektu architektonicznego,
• spraw organizacyjnych dotyczących zespołów odpowiedzialnych za poszczególne linie, procedur koordynacji działań
zespołów i komunikacji z Zespołem Budowy Akceleratora,
• ustalenia zadań, ujednoliconego schematu i terminu przygotowania opracowań wchodzących w skład Conceptual Design Report,
• warunki finansowania prac Zespołów d/s Linii.
Konferencja „Polski Synchrotron..”. / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
Program
Środa 26. września 2007
1500 - 1515
Mariusz Jaskólski
Linia PLU4A – PX
1520 - 1535
Czesław Kapusta
Linia PLW6 – HR XAS /XES
1540 - 1555
Krystyna Ławniczak-Jabłońska Linia PLM1A – XAS
1600 - 1615
Wojciech Paszkowicz
Linia PLU1A – PD
1620 - 1635
Wojciech Kwiatek
Linia PLW2A – HX μscopy, μtomography
1640 - 1655
Krzysztof Polewski
Linia PLM3A – UVIS, UV, VUV absorption,
dichroism, fluorescence, luminescence
1700 - 1730
Przerwa kawowa
1730 - 1745
Mirosław Handke
1705 - 1720
Jacek Szade
Linia PLM4A – IR, FIR spectroscopy, IR microscopy
Linia PLU3A – (AR) PES
1725 - 1740
Wojciech Wierzchowski
Linia PLM5 – surface topography
1745 - 1800
Jerzy Pełka
Linia PLW5 - Medical diagnostics & therapy
1805 - 1900
Dyskusja panelowa
KSUPS-2007: Abstracts / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
SYNCHROTRON METHODS
OF THE CONDUCTION-BAND ELECTRONIC-STRUCTURE ANALYSIS
L1
Andrzej Kisiel
Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego, Uniwersytet Jagielloński, ul. Reymonta 4, 30-059 Kraków, Poland
Experimental and theoretical studies of the density of
states (DOS) for non occupied conduction band are a valid
source of knowledge on the electronic structure of condensed matter. Among known analytical methods of DOS
investigation for non occupied states, a significant place is
occupied by the methods with the use of intensive synchrotron radiation beam. Adequately chosen monochromatic
beam excites the electrons from the occupied core states
or valence band to the non occupied states in the conduction band. The most universal experimental method for the
studies of the non occupied conduction band is X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) analysis for X-ray
absorption edges of the constituent atoms of the material.
Also a satisfying description of the non occupied conduction band DOS can be reached by the analysis of reflectiv-
ity coefficient analysis in the vacuum ultraviolet (above 10
eV). The photoelectron energy distribution curves (EDC)
elaborated by the constant initial state (CIS) and constant
final state (CFS) procedures deliver valuable information
on the high excited states of conduction band. During the
lecture the menaces for correct interpretation of the experimental results will be discussed. The efficiency of the non
occupied conduction band DOS studies with application
of XANES and analysis of reflectivity coefficient of light
will be presented on the basis of several binary and ternary
semiconductor compounds of II-VI group with transition
metals as well as of some other compounds. To avoid errors
in the interpretation of experimental results, the data will
be compared and discussed with adequate theoretical bandstructure calculation.
L2
EXAFS – A LOCAL STRUCTURAL PROBE FOR DISORDERED SYSTEMS
Agnieszka Witkowska
Dept. of Solid State Physics, Gdansk University of Technology, ul. Narutowicza 11/12, PL 80-952 Gdansk, Poland
Keywords: XAFS, local structure, disordered systems
e-mail: agnieszka@mif.pg.gda.pl
X-ray absorption fine structure (XAFS) phenomenon exploits the quantum interference resulting from the scattering
of a photoelectron (generated by the excitation of a core level) by the potential of the surrounding atoms. From the interference pattern it is possible to determine the composition
and geometry of the nearest neighbors of the photoabsorbing
atoms. Therefore, XAS is certainly a suitable technique for
structural studies, providing a unique site-selective local
structural probe in condensed matter and is an ideal tool for
investigating the average environment of specific elements
and their average electronic structure.
The structure of disordered systems and their physico-chemical properties have now become very attractive
field of research and crucial for design of new materials
for various novel applications (e.g. in opto-electronics, telecommuni-cation, fuel cell technology). As these materials
are characterized by a well defined short-range order, the
XAFS method seems to be a powerful tool for structural
investigations.
The application of extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) to the disordered state of matter began almost
70 years ago. The first experiment performed with a clear
motivation of comparing the XAFS in gaseous, liquid and
solid phases was performed by Dryński and Smoluchowski
[1] in 1939. The mentioned authors noticed that the dominant
origin of the EXAFS signal was the short-range order. Then
the potential usage of EXAFS to provide information on disordered matter remained latent for several decades, up to
the seventies. In 1971 Sayers et al. [2] proposed inversion of
the EXAFS signal with a Fourier transformation algorithm
and investigated several non-crystalline structures with their
new method. In the next years, the synchrotron radiation
EXAFS facilities and experimental techniques have been
significantly developed, enabling collection of high quality
spectra in short time. Simultaneously, a huge progress in
theoretical interpretation of the EXAFS phenomenon in disordered systems has been achieved. Comprehension of the
role of anharmonic effects and the usage of asymmetric atomic distribution functions in the data analysis were the most
important issues. This means, that in the general expression
for the EXAFS signal, the sum over all j shells containing Nj
equivalent neighbors each, with a Gaussian distribution of
distances around the average distance, Rj, should be replaced by a proper integration over an asymmetric partial pair
distribution function, g(r) (see, e.g., Refs. [3-5]).
Additionally, excellent quality data which can be collected nowadays in modern synchrotron X-ray sources, even
in the case of complex systems, materials of high structural
disorder and very low photoabsorber surface density, contain subtle features associated with two- and even threebody multiple-scattering (MS) effect [5, 6]. Inclusion of the
MS signals to the XAS analysis improves the quality of the
two-body structural refinement and allows determination
of the parameters associated with higher-order distribution
functions. Therefore, this aspect should included in disordered systems’ data analysis, especially if one is interested
in detailed structural determination.
This contribution illustrates methods of structural characterization of disordered materials (e.g. a complex heavymetal oxide glass, liquid metal and metallic nanoparticles
which in view of significant perturbations related to finite
size undoubtedly are disordered systems). The basic technique is obviously many-body MS EXAFS analysis taking
into account anharmonicity of the interatomic interactions.
However, for a correct structural investigation of disordered
systems, EXAFS should be combined with other techniques, as e.g. atomic force microscopy (AFM), transmission
electron microscopy (TEM), X-ray or neutron diffraction
(XRD and ND, respectively) and/or molecular dynamics
simulation (MD). Such an approach permits to avoid misinterpretations of the XAFS data and determine correctly
the nearest-shell’s pair distribution functions. Moreover, a
good agreement between the EXAFS-extracted and MDextracted parameters of the short-range structure encouraged us to determine the shape of the average structural unit,
to estimate angular distributions and to perform a mediumrange analysis, based on the computer simulated structure,
extending significantly the structure characterization.
Acknowledgements: The author is grateful to J. Rybicki (GUT,
Poland) and A. Di Cicco (Univ. of Camerino, Italy) for fruitful
collaboration.
References
[1] T. Dryński, R. Smoluchowski, Physica 6 (1939) 929-940.
[2] D.E. Sayers, E.A. Stern, F.W. Lytle, Phys. Rev. Lett. 27 (1971)
1204-1207.
[3] P.A. Lee, P.H. Citrin, P. Eisenberger, B.M. Kincaid, Rev. Mod..
Phys. 53 (1981) 769.
[4] E.D. Crozier, J.J. Rehr, R. Ingalls, X-Ray Absorption: Principles, Applications Techniques of EXAFS, SEXAFS and
XANES, Eds: D.C. Koningsberger, R. Prins (Wiley and Sons
New York 1988), pp. 373-442.
[5] A. Filipponi, J. Phys.: Condens. Matter 13 (2001) R23-R60.
[6] A. Di Cicco, M. Minicucci, J. Synchrotr. Radiat. 6 (1999) 255-257.
10
REMOTE SYNCHROTRON-DATA COLLECTION
L3
Mirosław Gilski 1,2
1
Departament of Crystallography, Faculty of Chemistry, A. Mickiewicz University, Poznań, Poland
2
Center for Biocrystallographic Research, Institute of Bioorganic Chemistry,
Polish Academy of Sciences, Poznań, Poland
e-mail: mirek@amu.edu.pl
Contemporary crystallography, in particular the protein
crystallography, to a great degree owes its fast progress to
the accessibility of synchrotron radiation. X-ray crystallography is the dominant technique used in the determination
of the three-dimensional structures of macromolecules and
third-generation synchrotron sources are already proving
of great benefit in the rapid collection of X-ray data from
macromolecular single crystals. In the current era of structural genomics it is important that the structure-determination process occurs as rapidly as possible and modern
synchrotron macromolecular crystallography (MX) has
evolved into an efficient pipeline of sample screening and
subsequent data collection, reduction and phasing at the
beamline [1]. However, when carried out manually, this
process has many bottlenecks, which will become increasingly evident as crystal production becomes more efficient.
Automation is therefore an essential step in ensuring that
macromolecular structure solution becomes a very high
throughput process.
Automation of a synchrotron MX experiment may be
divided into two areas; data collection and data processing, and beamline alignment and stability. Data collection
automation should include processes for sample mounting/
dismounting, aligning and screening, whilst automation
of data processing needs to address image indexing and
integration, data reduction, phasing, map calculation and
model building. Beamline alignment automation should
ensure that the users have access to a beam that is stable in
both intensity and position during their experiments, without having to carry out manual alignment procedures. All
of the aspects described above have been addressed in the
automation program currently being developed at the synchrotron centres [2].
The logistic problems and high degree of complexity of
the synchrotron measurements prompt the search for new
solutions aimed at a more effective use of the available resources. One of the solutions proposed is to send the protein
crystals frozen in liquid nitrogen by courier mail to a synchrotron centre and make data collection via the internet.
The software allowing such measurements known as DNA
(automateD collectioN of datA) is being developed within
the EU project BioXHIT. The software is designed to ensure full automation of collection and processing of the diffraction data. In November 2006 for the first time at the
Center for Biocrystallographic Research (CBB) in Poznań
a remote data collection was made at the greatest European
synchrotron center ESRF in Grenoble [3]. The CBB and
ESRF centres communicated via the internet and the DNA
software permitted the control of the beamline parameters
and the protein crystals in Grenoble by the keyboard and
mouse of a PC computer.
During the measurement session it is possible to check
the quality of the crystals, monitor and change the parameters of the beamline and record the diffraction data. Results
of such fully controlled measurements can be seen after a
few minutes on the monitor screen in the form of diffraction images and results of the data processing. The success
of this experiment has opened an exciting possibility for
conducting synchrotron-radiation protein crystallography
experiments from virtually any place on Earth.
References
[1] E.P. Mitchell, Nucl. Instrum. Meth. A 467-468 (2001) 1372-1374
[2] A. Beteva et al., Acta Crystallogr. D 62 (2006) 1162-1169.
[3] M. Jaskolski, M. Gilski, Academia 2 (10), (2007) 8-11.
11
L4
BADANIE NANOSTRUKTUR WĘGLOWYCH METODĄ
WYSOKOENERGETYCZNEJ DYFRAKCJI PROMIENI RENTGENOWSKICH
Aleksander Bródka
Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski, ul. Uniwersytecka 4, 40-007 Katowice, Polska
Słowa kluczowe: dyfrakcja promieni X, nanorurki węglowe, nanodiamenty
e-mail: aleksander.brodka@us.edu.pl
Metoda wysokoenergetycznej dyfrakcji promieni rentgenowskich w połączeniu z symulacją dynamiki molekularnej
została zastosowana do określenia struktury nanoukładów
węglowych. Badania te mają globalny charakter i stanowią
uzupełnienie metod mikroskopowych dostarczających informacje o lokalnej strukturze nanoukładów.
Przedmiotem badań są:
- nanorurki węglowe wytwarzane metodą pirolizy gazowych
węglowodorów w porach membrany z tlenku glinu [1],
- nanorurki produkowane metodą syntezy elektrołukowej
w atmosferze wodoru [2],
- komercyjnie dostępne nanodiamenty [3].
Pomiary dyfrakcji promieni X o energii 95.4 keV (0.13 Å)
wykonane zostały na linii ID15B ESRF w Grenoble. Natężenia rozpraszania rejestrowane były używając płaskiej
płyty obrazowej i uśrednienie natężenia po kącie azymutalnym umożliwiło transformację obrazu dwuwymiarowego w jednowymiarowy. Poza wyeliminowaniem z całkowitego natężenia wkładu pochodzącego od pustej kapilary,
uwzględniono poprawkę na polaryzację oraz stosowanie
płaskiej płyty obrazowej. Tablicowe dane atomowego czynnika rozpraszania dla węgla oraz natężenia rozpraszania
Comptona pozwoliło wyznaczyć czynnik struktury oraz
zredukowaną funkcję rozkładu radialnego badanego materiału.
Do interpretacji uzyskanych wyników wykorzystano
wyniki symulacji dynamiki molekularnej nanorurek węglowych oraz klastra diamentowego, gdy oddziaływania
między atomami węgla opisane są przez potencjał REBO
[4]. Zadaniem tych symulacji jest doprowadzenie do stanu
równowagi nanorurek węglowych otrzymanych przez zwinięcie warstw grafitowych (zwłaszcza gdy wprowadzane są
defekty w strukturze warstw) lub klastra węglowego wyciętego z idealnej struktury diamentowej.
Doświadczalne wyniki dla nanorurek wytwarzanych
w porach membrany są poprawnie opisane wprowadza-
jąc defekty Stone’a-Walesa w postaci par pięciokąt-siedmiokąt, a nanorurki produkowane metodą elektrołukową
wykazują praktycznie idealną strukturę heksagonalną.
Wyniki eksperymentalne dla nanodiamentów zostały
w miarę poprawnie odtworzone w symulacji diamentowego klastra o średnicy ok. 2.3 nm; w szczególności uzyskano doświadczalne położenia maksimów w zredukowanej
funkcji rozkładu radialnego (Rys. 1). Otrzymane wyniki
pokazują przebudowę powierzchni klastra węglowego,
podczas gdy jego wnętrze ma strukturę zbliżoną do diamentowej.
Rysunek 1. Zredukowana funkcja rozkładu radialnego
nanodiamentu. Różnica między wynikami symulacji i doświadczenia została obniżona o 7 Å-2.
References
[1] T. Kyotani, L. Tsai, A. Tomita, Chem. Mater. 8 (1996) 2109.
[2] Y. Ando, X. Zhao, M. Ohkochi, Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998)
L61.
[3] S. Tomita, A. Burian, J.C. Dore, D. LeBolloch, M. Fujii, S.
Hayashi, Carbon 40 (2002) 1469.
[4] D.W. Brenner, O.A. Shenderova, J.A. Harrison, S.J. Stuart, B.
Ni, S.B. Sinnott, J. Phys.: Condens. Matt. 14 (2002) 783.
12
STRUCTURE AND DYNAMICS OF COLLOIDAL SUSPENSIONS
STUDIED BY MEANS OF XPCS
L5
A. Patkowski 1*, J. Gapinski 1, A. Fluerasu 2, P. Holmqvist 3,
G. Meier 3, M.P. Lettinga 3, and G. Nägele 3
Institute of Physics, A. Mickiewicz University, Poznań, Poland
European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, France
3
Institut für Festkörperforschung, Forschungszentrum Jülich, Germany
1
2
Keywords: colloid dynamics, XPCS,hydrodynamic interactions
*) e-mail: patkowsk@amu.edu.pl
δγ theories. In particular, the behaviour of H(q) for deionized dense suspensions can be attributed to the influence
of many-body hydrodynamics, without any need to assume
hydrodynamic screening to be present in de-ionized fluid
systems, as proposed in earlier work [4]. The obtained values of the maximum of the hydrodynamic function H(qmax)
for all colloid and salt concentrations in the fluid phase were
within the general boundaries provided for the magnitude
of the hydrodynamic function in the limits of low and high
salinity.
Suspensions of colloidal particles undergoing Brownian
motion in a low-molecular-weight solvent are ubiquitous in
chemical industry, biology, food science, and in medical and
cosmetic products. For polar solvents like water, the particles are usually charged. At long to intermediate distances
these particles interact electrostatically by an exponentially
screened Coulomb repulsion originating from the overlap of
the neutralizing electric double layers. A considerable effort
has been devoted over the past years to study the dynamics of colloidal model suspensions of charged spheres at the
microscopic level. The dynamics is determined by a subtle
interplay of direct interactions and solvent-flow mediated
hydrodynamic interaction (HI). HI in unconfined suspensions is very long ranged. It decays with interparticle distance r like 1 = r. An account of HI effects in theoretical and
computer simulation studies is quite challenging due to its
many-body nature, which must be accounted for in nondilute suspensions. An important measure of the strength of
HI with regard to short-time particle diffusion caused by local density gradients is given by the hydrodynamic function
H(q).
The development of partly coherent x-ray beams at synchrotron radiation sources allows for the measurements of
the collective translational diffusion coefficient of colloids
using the new method of x-ray photon correlations spectroscopy (XPCS) [1]. Thus, in combination with the small-angle
x-ray scattering (SAXS) the scattering vector (q) dependent
functions: the structure factor S(q), collective diffusion coefficient D(q) and the hydrodynamic function H(q) can be
determined for colloidal suspensions [2, 3].
We present an experimental study of diffusion properties in suspensions of monodisperse charge-stabilized
colloidal silica spheres in DMF. Using the synchrotron
radiation at ESRF, Grenoble the SAXS and X-ray photon
correlation spectroscopy studies have been performed to
explore in great detail the concentration and ionic-strength
dependence of the static structure factor S(q), and of diffusion properties including the hydrodynamic function H(q),
the wavenumber-dependent collective diffusion coefficient
D(q), and the intermediate scattering function S(q,t), see
Fig. 1.
We show that all experimental data can be quantitatively described and explained by means of RMSA, RY and
Figure 1. S(q), D(q) and H(q) measured (symbols) for
colloid volume fraction of 0.075 at indicated salt concentrations. The solid line represent the fit of the corresponding theoretical models.
References
[1] T. Thurn-Albrecht et al., Phys. Rev. E 68 (2003) 031407.
[2] A.J. Banchio et al., Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 138303-1-4.
[3] J. Gapinski et al., J. Chem. Phys. 126 (2007) 104905-1-12.
[4] D.O. Riese et al., Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5460.
13
L6
USES OF SYNCHROTRON RADIATION IN BIO-CRYSTALLOGRAPHY
Wojciech Rypniewski
Institute of Bioorganic Chemistry, Polish Academy of Sciences, ul. Noskowskiego 12-14, 61-704 Poznań, Poland
Keywords: synchrotron radiation, biocrystallography, macromolecules
e-mail: wojtekr@ibch.poznan.pl
Synchrotron beam lines have become favourite tools of
protein X-ray crystallographers and the use of synchrotron
radiation has become commonplace in the last 10-15 years.
Approximately 90% of bio-crystallographic publications in
the high impact journals are based on experiments carried
out at a synchrotron.
High brilliance and monochromacity of synchrotron
radiation make it desirable for any crystallographic experiment and generally yield data of much better quality than
those obtained in in-house experiments, even for data at
comparable resolution. However, synchrotrons are put to
their best use in experiments where their possibilities are
pushed to the limit: (i) in high-resolution studies and (ii)
in studying very large structures. In both cases advantage
is taken of the possibility to measure very weak signal. In
a high-resolution diffraction pattern the high-angle reflections a several orders of magnitude weaker than the strongest ones, and in the case of large structures the strength of
individual reflections is low because the signal is spread
over a large number of reflections.
The advantage of high-resolution studies perhaps becomes most apparent when one considers how much data
are collected at different resolution limits. Between resolution of 2 Å and 1 Å, the number of data increases 8fold. At
(sub)atomic resolution one need not assume much about the
structure. One can simply look and see:
Figure 2. Atomic model of the phosphofructokinase from
Saccharomyces cerevisiae (Rypniewski et al.). The crystal
structure of phosphofructokinase from /Saccharomyces cerevisiae/ has been solved at 2.9 Å resolution using synchrotron
radiation. The model of the heterooctamer (α)4(β)4 consists
of approx. 6000 amino acid residues ([1]).
References
[1] W. Rypniewski et al., to be published.
[2] N. Ban, P. Nissen, J. Hansen, P.B. Moore, T.A. Steitz, „The
complete atomic structure of the large ribosomal subunit at
2.4 Å resolution”, Science 289 (2000) 905-920.
[3] F. Schluenzen, A. Tocilj, R. Zarivach, J. Harms, M. Gluehmann,
D. Janell, A. Bashan, H. Bartels, I. Agmon, F. Franceschi, A. Yonath, „Structure of functionally activated small ribosomal subunit at 3.3 Å resolution”, Cell 102 (2000) 615-623.
[4] B.S. Schuwirth, M.A. Borovinskaya, C.W. Hau, W. Zhang, A.
Vila-Sanjurjo, J.M. Holton, J.H.D. Cate, „Structures of the
bacterial ribosome at 3.5 Å resolution”, Science 310 (2005)
827-834.
[5] M. Selmer, C.M. Dunham, F.V. Murphy, IV, A. Weixlbaumer,
S. Petry, A.C. Kelley, J.R. Weir, V. Ramakrishnan, „Structure
of the 70S ribosome complexed with mRNA and tRNA”, Science 313 (2006) 1935-1942.
[6] M. Groll, L. Ditzel, J. Löwe, D. Stock, M. Bochtler, H.D. Bartunik, R. Huber, „Structure of 20S proteasome from yeast at
2.4 Å resolution”, Nature 386 (1997) 463-471.
Figure 1. High-resolution electron density of a catalytic
triad [1].
It is not true either that it is harder to refine models at high
resolution. It is easier.
Studying very large structures is difficult even with synchrotron radiation but without it would not be possible. The
largest biological structures solved to date by X-ray crystallography are the prokaryotic ribosomal assemblies: Large
(50S) and small (30S) subunits as well as the complete ribosomal particle (70S) [2-5]. The largest protein structures
solved with atomic details are the proteasome assembly [6]
and phosphofructokinase from yeast.
14
ŚWIATŁO DLA NAUKI - EUROPEJSKI RENTGENOWSKI LASER
NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH
L7
R. Sobierajski 1*
1
Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa, Polska
Keywords: XFEL, laser na swobodnych elektronach, źródła synchrotronowe IV generacji
*) e-mail: ryszard.sobierajski@ifpan.edu.pl
Na początku XXI wieku obserwujemy rewolucyjny
rozwój źródeł spójnego promieniowania krótkofalowego,
otwierający dla badaczy fundamentalnie nowe obszary
nauki. Podstawową miarą tego rozwoju są trzy parametry
emitowanego światła – długość fali, czas trwania impulsu i
jasność. To właśnie unikalna kombinacja tych parametrów
w najnowocześniejszych źródłach pozwala na badanie
zjawisk fizycznych z doskonałą (w zakresie opisywanym
przez jednostki atomowe) rozdzielczością, zarówno czasową, jak i przestrzenną.
Powstały już i są budowane nowe lasery na swobodnych elektronach (nazywane źródłami synchrotronowymi
IV generacji) pracujące w zakresach nadfioletu próżniowego i promieniowania rentgenowskiego - niedostępnych dla
klasycznych laserów [1, 2]. Szczytowa jasność tych źródeł
przewyższa o ponad 8 rzędów wielkości jasność źródeł
promieniowania synchrotronowego (Rys.1). Ich promieniowanie ma wysoki stopień spójności przestrzennej a czas
trwania impulsu zmniejszono ponad 10000 razy z ~100 ps
do ~10 fs w porównaniu z najnowocześniejszymi źródłami
synchrotronowymi III generacji.
W 2007 roku rozpoczęto budowę nowego rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach w Europie
– XFEL. Powstanie przy nim międzynarodowy ośrodek
naukowo-badawczy, którego zadaniem będzie, m.in. ułatwienie dostępu do lasera międzynarodowej społeczności
naukowej.
Przygotowania do przyszłych eksperymentów już się
rozpoczęły. W trakcie specjalnych konferencji oraz szerokich konsultacji naukowcy wyodrębnili wiele grup tematycznych określających możliwe zastosowania lasera XFEL.
Część z nich związana jest z określonymi obiektami badań
(np. obiekty biologiczne), a część z zastosowanymi technikami pomiarowymi (np. spektroskopia korelacyjna).
W prezentacji omówiona zostanie zasada działania
oraz budowa i podstawowe parametry urządzenia. Następnie opisana zostanie organizacja projektu i działalność
tzw. Polskiego Konsorcjum XFEL. Na zakończenie przed-
Rysunek 1. Szczytowa jasność istniejących i planowanych
źródeł synchrotronowych (wymienionych w prezentacji).
Kropkami zaznaczono pomiary szczytowej jasności lasera
FLASH, dostępnego obecnie dla użytkowników (na podstawie pracy [1], kopia za zgodą M. Altarelli).
stawione zostaną przykładowe eksperymenty z użyciem
lasera XFEL.
Literatura
[1] The European X-Ray Free-Electron Laser Technical Design
Report, w edycji zbiorowej pod kierunkiem Massimo Altarelli
(ISBN 3-935702-17-5) - http://www.xfel.net.
[2] R. Sobierajski, K. Ławniczak-Jabłońska, Synchrotr. Radiat.
Nat. Sci. 5 (2007) 176-183.
15
L8
PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY
OF SEMICONDUCTOR SYSTEMS PREPARED IN SITU
B.J. Kowalski *
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, al. Lotników 32/46 Warszawa, Poland
Keywords: photoelectron spectroscopy, semiconductors
*) e-mail: kowab@ifpan.edu pl
about 4 nm. Such a structure grown ex situ could not be
studied by photoelectron spectroscopy because any attempt
to clean the surface exposed to air during the transfer to the
spectrometer (or to remove a protective layer) would lead
to its destruction. Thus, the reported experiments serve as
an excellent example of pertinent combination of growth
technology and photoelectron spectroscopy in one experimental set-up.
The acquired results of photoemission studies of electronic structures of the MnAs/GaN system, morphology
investigations by atomic force microscopy and magnetization measurements showed that MnAs dots with two qualitatively different electronic structures can be grown on the
GaN(0001) surface by modification of the first stages of the
MBE processes. In particular, dots of half-metalic MnAs
with Curie temperature higher than 300 K have been obtained - a system particularly suitable for spintronic applications.
Further advantages of photoelectron spectroscopy combined with in situ sample preparation techniques will be
exemplified by studies of Mn/GaN and Mn/GeTe. For Mn/
GaN, interaction between Mn atoms and GaN was invstigated (properties of Mn in GaMnN are still under debate
and reliable photoemission data for GaMnN are not available).
For Mn/GeTe and Mn/GeMnTe, contribution of Mn 3d
states to the valence band of the system was studied and the
charge state of Mn ions in the lattice of GeTe were identified. The results are discussed in the context of magnetic
properties of the system, crucial for its possible spintronic
applications.
Features of photoelectron spectroscopy of in-situ prepared systems will also be discussed in view of construction of experimental stations in the future Polish synchrotron center.
Photoelectron spectroscopy is well known as one of the
best methods for studying electronic structure of solids. For
many important semiconducting crystals, electronic band
structures in the whole Brillouin zone were determined by
means of angle-resolved photoemission experiments. However, this technique is highly surface sensitive. Its sampling
depth does not exceed a few nanometers. Therefore, the
reliable experimental data can only be obtained for samples with clean and properly ordered surfaces. The chemical composition of the investigated surface and its atomic
structure have to be well controlled and assessed prior the
photoemission experiment.
Two main methods of surface preparation have been developed for bulk crystals - cleavage under ultra high vacuum
conditions or in situ ion sputtering and annealing. They have
both advantages and disadvantages but they have allowed
successful band structure studies for many crystals, including the most important semiconductors.
Recently, however, the main research effort in semiconductor physics has been focused on materials grown by
nonequilibrium methods (like MBE) and on low dimensional structures. For such systems, cleavage is usually
impossible and sputtering may lead to amorphisation and
substantial modifications of chemical composition of the
sample surface. Unfortunately, it is usually not possible to
create suitable conditions for recrystallization of the system just by annealing under UHV. Therefore, some other
techniques of sample preparation have to be applied in photoemission studies of such systems.
In this paper, application of two methods will be presented:
• in situ growth by MBE in a system directly attached to
the spectrometer,
• surface composition modification by in situ deposition
of metals on semiconductor substrates.
MnAs, a ferromagnetic metal which forms metal/semiconductor junctions on Si or GaAs, can be considered as one
of promising materials for future spintronic applications.
We will present the results of photoemission study of MnAs
grown by MBE on GaN. In such a system, both materials
have hexagonal structure and, in the plane perpendicular to
the c axis, aMnAs > aGaN. Due to that, MnAs spontaneously
forms dots with the diameter of 20-40 nm and height of
Acknowledgements: The author acknowledges support by
MSHE (Poland) grant N202 101 31/0749 and by the European
Community via the „Structuring the European Research Area”
Programme (through the Integrated Infrastructure Initiative „Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science”) at MAX-lab and DESY.
16
THE PROJECT OF THE SYNCHROTRON LIGHT SOURCE IN POLAND
L9
Edward A. Görlich 1,2*
1
M. Smoluchowski Institute of Physics, Jagiellonian University, ul. Reymonta 4, PL 30-059 Kraków, Poland
2
Centrum Promieniowania Synchrotronowego Sp. z o.o., ul. Reymonta 4, PL 30-059 Kraków, Poland
Keywords: synchrotron radiation, light source, beamlines
*) e-mail: ufgoerli@cyf-kr.edu.pl
The project of a modern synchrotron radiation source
in Poland is included in a list of the high-priority initiatives which will basically improve and extend the research
infrastructure for science and technology. The initiative is
strongly supported by the Ministry of Science and Higher
Education. The final decision which will open the direct financing of the first phase of the project from the European
structural funds requires several steps to be completed. They
comprise the preparation of the Conceptual Design Report,
of the Functionality Plan, of several documents connected
with building activity (including particularly detailed and
specialized geological and seismic investigations), and finally the completion of the Feasibility Study. The careful preparatory works bring no spectacular results immediately but
they are indispensable to start the construction phase and to
conclude the project successfully. The actions are coordinated by a company created with an initiative of the Jagiellonian University (Centrum Promieniowania Synchrotronowego Sp. z o.o. – Centre for Synchrotron Radiation Co. Ltd.).
Intense organisational actions are taken to give the formal
frames to the factual collaboration at the Polish synchrotron
project between scientists representing about 20 institutions.
All higher education and research institutions, if interested
in the emerging National Centre for Synchrotron Radiation,
are encouraged to join the Consortium “Polish Synchrotron”.
Participation in the Consortium is not the necessary condition for a free access to the facility, however, it allows direct
influence on a scientific policy and the future extensions of
its research infrastructure. According to the present plans
the members of the Consortium may have possibility to purchase shares in the CPS Company – executive entity having
a legal personality.
The draft plan, presently adopted as a basis for preliminary lattice calculations of the storage ring and construction of the linear preaccelerator and the full energy booster
synchrotron (Fig. 1), results from numerous discussions
carried out earlier this year with the leading specialists in
the field of accelerator physics and techniques. The lecture
will inform on the progress and the current status of the
Conceptual Design Report.
The project presents a scientific case which covers a
broad spectrum from fundamental studies in physics and
chemistry, applications in material- and nano-science and
Figure 1. The drawing shows basic features and parameters
of the project along with seven beamlines included at the
phase I (M1 – U4) and further four lines already suggested
by the independent institutions or consortia (M5 – U6/W6).
technology to studies of environmental problems, complex
biological systems and medical questions. The advanced
research techniques for various disciplines will become
available thanks to the specialized beamlines. The satellite
meeting „1st National Conference on Experimental Lines at
the Polish Synchrotron” (Pierwsza Krajowa Konferencja:
Polski Synchrotron – Linie Eksperymentalne) immediately
following the present Symposium will be concerned with
individual line proposals both of those included in a first
phase [1] of the general project as well as the ‘independent’
experimental line proposals. Please refer to www.synchrotron.pl web site for more details. It is most welcome the
wide and active participation of all relevant parties (from
Poland and East-Central European countries, in particular)
in the course of designing and construction of the beamline
and experimental infrastructure of the facility. It is of crucial importance for the success of the project.
References
[1] E.A. Görlich, Synchrotr. Radiat. Nat. Sci. 5 (3), (2006) 140;
web page: www.synchrotron.pl.
17
O1
PROBING MOLECULAR REACTIONS
VIA ULTRAFAST X-RAY ABSORPTION SPECTROSCOPY
W. Gawelda 1,2*, V.-T. Pham 2, A. El Nahhas 2, C. Milne 2, R. van der Veen 2, M. Kaiser 3,
S.L. Johnson 3, D. Grolimund 3, R. Abela 3, C. Bressler 2, and M. Chergui 2*
Instituto de Óptica, CSIC, ES-28006, Madrid, Spain
Laboratoire de Spectroscopie Ultrarapide, LSU-ISIC, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne,
CH-1015, Lausanne, Switzerland
3
Swiss Light Source, Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen, Switzerland
1
2
Keywords: ultrashort X-ray pulses, pump-probe, X-ray absorption spectroscopy
*) e-mail: wgawelda@io.cfmac.csic.es, Majed.Chergui@epfl.ch
duced structural dynamics in solvated transition metal complexes and the solvation dynamics of atomic ions in polar
solutions. In the first case, we have measured the transient molecular structures of the short-lived excited states, which are
formed upon the photoinduced charge-transfer reaction, e.g.
in aqueous [RuII(bpy)3]2+ complex [4, 5], or following a phototriggered spin crossover transition, e.g. solvated [FeII(bpy)3]2+
complex [6]. In the second case, we have investigated the
actual geometric structure of the reaction environment (e.g.,
solvent) during the solvation process around an electronically
excited solute. More specifically, we have been studying the
solvent shell and the electronic structure of I¯ ions in aqueous
solution, after ejecting an electron from the ion with a femtosecond laser pulse [7].
Electronic structure changes are at the origin of the making, breaking and transformation of bonds. These changes
can be visualized by measuring the geometric structure
in „real-time” during the course of a chemical reaction, a
biological function or a physical process. The experimental approach, similar to femtosecond optical spectroscopy,
uses the so called pump-probe scheme, where a femtosecond laser pulse excites the system under investigation, and
a time-delayed hard x-ray pulse measures the local structure around the absorber. The true power of ultrafast XAS,
in comparison to ultrafast optical probes, stems from the
fact that both transient electronic (via X-Ray Absorption
Near Edge Structure, XANES) and geometric (via Extended X-Ray Absorption Fine Structure, EXAFS) structural
changes are monitored as a function of time delay between
both pulses in such an experiment [1]. In addition, the timeresolved XAS offers a unique flexibility, since it is both
element-selective and it can be applied to any kind of disordered or ordered systems.
The ultrafast XAS requires an intense and tunable source
of ultrashort x-radiation. Currently, modern synchrotron
storage rings are the only pulsed x-ray sources capable of
delivering intense and spatially confined beams of hard xray pulses that are broadly tunable in energy, as required by
XAS and provide a photon beam stability corresponding to
the shot-noise limit. Synchrotron technology is inherently
limited in delivering x-ray pulses of ca. 50-100 ps duration,
however, over the past years, a novel approach was proposed
[2], which allows extraction of femtosecond x-radiation.
Only very recently (June 2006), the microXAS beamline at the Swiss Light Source (Paul Scherrer Institut, Villigen, Switzerland) has successfully commissioned the
femtosecond electron beam slicing facility, which provides
hard x-ray pulses (4-15 keV) of < 220 fs pulse duration [3].
It is worth mentioning that the Swiss synchrotron is the
only European user facility, capable of delivering such ultrashort x-radiation in the hard x-ray range.
Among the systems of interest, we have successfully
applied the ultrafast XAS technique in studies of photoin-
References
[1] C. Bressler, M. Chergui, „Ultrafast X-ray absorption spectroscopy”, Chem. Rev. 104 (2004) 1781-1812.
[2] R. W. Schoenlein, S. Chattopadhyay, H.H. Chong, T.E. Glover, P.A. Heimann, C.V. Shank, A.A. Zholents, M.S. Zolotorev ,
„Generation of femtosecond pulses of synchrotron radiation”,
Science 287 (2000) 2237-2240.
[3] Unpublished results, http://femto.web.psi.ch/.
[4] M. Saes, C. Bressler, R. Abela, D. Grolimund, S.L. Johnson,
P.A. Heimann, M. Chergui, „Observing photochemical transients by ultrafast x-ray absorption spectroscopy”, Phys. Rev.
Lett. 90 (2003) 047403.
[5] W. Gawelda, M. Johnson, F.M.F. de Groot, R. Abela, C.
Bressler, M. Chergui, „Electronic and molecular structure of
photoexcited [RuII(bpy)3]2+ probed by picosecond x-ray absorption spectroscopy”, J. Am. Chem. Soc. 128 (2006) 5001-5009.
[6] W. Gawelda, V.-T. Pham, M. Benfatto, Y. Zaushitsyn, M.
Kaiser, D. Grolimund, S.L. Johnson, R. Abela, A. Hauser, C.
Bressler, M. Chergui, „Structural determination of a shortlived excited iron(II) complex by picosecond x-ray absorption
spectroscopy”, Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 057401.
[7] V.-T. Pham, W. Gawelda, Yu. Zaushitsyn, M. Kaiser, D.
Grolimund, S.L. Johnson, R. Abela, C. Bressler, M. Chergui,
„Observation of the solvent shell reorganization around photoexcited atomic solutes by picosecond x-ray absorption spectroscopy”, J. Am. Chem. Soc. 129 (2007) 1530-1531.
18
STRUKTURA KRYSTALICZNA BIOMINERALNEGO SZKIELETU
KORALOWCÓW SCLERACTINIA: BADANIA METODĄ DYFRAKCJI
PROMIENIOWANIA SYNCHROTRONOWEGO
O2
Jarosław Stolarski 1*, Radosław Przeniosło 2, Maciej Mazur 3 i Michela Brunelli 4
Instytut Paleobiologii PAN, ul. Twarda 51/55, PL-00-818 Warszawa
Uniwersytet Warszawski, Instytut Fizyki Doświadczalnej, ul. Hoża 69, PL-00-681 Warszawa
3
Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, ul. Pasteura 1, PL-02-093 Warszawa
4
European Synchrotron Radiation Facility, BP 220, F-38043 Grenoble, Francja
1
2
Słowa kluczowe: biominerały, koralowce, aragonit, kalcyt, przejście fazowe, struktura sieci krystalograficznej
*) e-mail: stolacy@twarda.pan.pl
W naszych badaniach, zajęliśmy się przejściem fazowym aragonit–kalcyt w biomineralnych szkieletach dwóch
gatunków koralowców (płytkowodnego Favia stelligera
(Rys. 1) oraz głębokowodnego Desmophyllum dianthus)
oraz w syntetycznym aragonicie [3]. Badania zostały przeprowadzone metodą wysokorozdzielczej dyfrakcji promieniowania synchrotronowego w ESRF Grenoble oraz metodą mikroskopii elektronowej SEM. Nowością w badaniach
biogenicznych minerałów węglanowych było użycie próbek
pobranych en bloc, tj. bez proszkowania przy jednoczesnym uzyskaniu wąskich maksimów dyfrakcyjnych (Δd/d =
1×10 -3). Nasze badania [3] potwierdziły anizotropowe odkształcenie stałych sieci [1, 2] dla obydwu korali w stanie
naturalnym w porównaniu z syntetycznym aragonitem.
Analiza mikrostruktury pokazała, że biogeniczny
aragonit ma około dwukrotnie mniejsze naprężenia wewnętrzne w porównaniu z aragonitem syntetycznym. Po
wygrzaniu w temperaturze 500ºC biogeniczny i syntetyczny aragonit przechodzi w fazę kalcytu. Nasze badania pokazują, że mikrostruktura kalcytu powstałego w wyniku
wygrzania korali ma około dwukrotnie większe naprężenia
wewnętrzne w porównaniu z aragonitem w stanie naturalnym. Co więcej, kalcyt powstały w wyniku wygrzewania
biogenicznego aragonitu charakteryzuje się także anizotropowym odkształceniem stałych sieci. Różnice w strukturze krystalicznej biominerałów mają zapewne związek
z interkalacjami organicznymi, których szczegółowa charakterystyka stanowi przedmiot naszych dalszych badań.
Biominerały – mineralne struktury powstające przy
udziale organizmów żywych – są przedmiotem ożywionych
badań interdyscyplinarnych z pogranicza biologii, chemii
i fizyki. Szczególne zainteresowanie wzbudzają biomineralne struktury szkieletowe, których kompozytowa organicznomineralna budowa oraz zoptymalizowane właściwości mechaniczne są źródłem inspiracji w tworzeniu nowoczesnych
materiałów syntetycznych. Do niedawna przyjmowano, że
najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie biogeniczne
minerały węglanowe (wchodzące w skład m.in. szkieletów
koralowców, muszli mięczaków), pod względem krystalograficznym, nie odbiegają od geologicznych oraz syntetycznych odpowiedników. Pokroy et al. [1, 2] pokazali jednak, że
biominerały te wykazują anizotropowe odkształcenie rombowych stałych sieci w porównaniu z referencyjną strukturą
aragonitu pochodzenia geologicznego.
Literatura
[1] B. Pokroy, J.P. Quintana, E.N. Caspi, A. Berner, E. Zolotoyabko, Nature Mater. 3 (2004) 900–902.
[2] B. Pokroy, A.N. Fitch, P.L. Lee, J.P. Quintana, E.N. Caspi, E.
Zolotoyabko, J. Struct. Biol. 153 (2006) 145–150.
[3] J. Stolarski, R. Przeniosło, M. Mazur, M. Brunelli, J. Appl.
Crystallogr. 40 (2007) 2–9.
Rysunek 1. Szkielet (biogeniczny aragonit) dzisiejszego
koralowca Favia stelligera widziany w optycznym mikroskopie polaryzacyjnym (płytka cienka). Dłuższy bok
fotografii ma długość ok. 250 μm.
19
O3
X-RAY ABSORPTION SPECTROSCOPY INVESTIGATION
OF Fe IN METAL CHITOSAN COMPLEX
M.T. Klepka 1*, K. Lawniczak-Jablonska 1, I.N. Demchenko 1, N. Nedelko 1,
A. Slawska-Waniewska 1, C.A. Rodrigues 2, and C. Bordini 2
Institute of Physics PAS, al. Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
NIQFAR CCS, Universidade do Vale do Itajaí, CEP 88302-202, Itajaí, SC, Brasil
1
2
Keywords: chitosan, XAFS
*) e-mail: mklepka@ifpan.edu.pl
The extensive research of metallo-organic chelating
compounds is inspired by perspectives of biomedical, ecological and industrial applications. One type of metallo-organic material is transition metal - chitosan complex [1].
The present studies are concentrated on iron-chitosan complex. Chitosan is N-deacetylated product of chitin which is
obtained in large quantities from crustacean shells (waste
products of seafood processing industries). Both materials
are significant natural polymers. They easily biodegrade,
are biocompatible, bioactive and possess attractive for
technology physical and mechanical properties. From the
application point of view a very important aspect is their
ability to chelate metal ions, including heavy and toxic ones
[2]. Chitosan have better ability to chelate transition metal
ions than other polymers. This may be due to the presence
of –NH2 group (see Fig. 1).
Recently, the iron containing biopolymers have been examined as possible drug carriers and controlled release beads for
various model of drugs. Different methods are used to increase
the sorbent functionality of the chitosan. The crosslinking of
polymer chains after complexation with metal ions seems to
be a prospective method and is frequently used. Moreover, at
the low temperatures the iron-chitosan complexes (CH-FeCL) exhibit magnetic ordering [3]. From the magnetic studies
it was suggested that Fe-chitosan is composed of randomly
dispersed polymer chains and can be classified as a topologically disordered material.
The complexes of chitosan with 3d metals, such as Cu, Ni,
Fe, have been investigated using different experimental techniques and theoretical models [4-5]. It has already been suggested that Fe ions in chitosan can either be penta- or hexa-coordinted and more than one polymer chain maybe involved in
formation of these complexes. In spite of wide scientific interest in this class of materials issue concerning atomic structure
around metals in chitosans needs more studies.
Knowing the usefulness of XAS (EXAFS and XANES)
for studies of non-crystalline materials, we have applied this
technique for investigation of local atomic order around Fe
atoms in different chitosan complexes. Measurements of
Fe K-edges were performed in HASYLAB at station A1 in
fluorescence mode of detection at liquid nitrogen temperature.
From the XAS analysis the model of the Fe location in
this polymer was proposed.
Figure 1. Idealized structure of chitosan.
Acknowledgements: This work was partially supported by the
Grant No. 72/E-67/SPB/5.PR UE/DZ 27/2003-2005 and by the
IHP-Contract HPRI-CT-2001-00140 and G1MA-CI-2002-4017
(CEPHEUS) of the European Commission.
References
[1] A.J Varma, S.V. Deshpande, J.F. Kennedy, „Metal complexation by chitosan and derivatives: a review”, Carbohydr. Polym. 55 (2004) 77-93.
[2] M.N.V. Ravi Kumar, „A reviev of chitin and chitosan applications”, Reactive Functional Polym. 46 (2000) 1-27.
[3] N. Nedelko, A. Ślawska-Waniewska, J. Kaźmierczak, C.A. Rodrigues, C. Bardini, „Magnetic studiem of Fe(III)-crosslinked
chitosan”, phys. stat. sol. (c) 3 (2006) 126-129.
[4] S.C. Bhatia, N. Ravi, „A Magnetic study of an Fe-Chitosan
complex and its relevance to other biomolecules”, Biomacromolec. 1 (3), (2000) 413–417.
[5] S.C. Bhatia, N. Ravi, „A Mössbauer study of the interaction
of chitosan and D-Glucosamine with iron and its relevance to
other metalloenzymes”, Biomacromolec. 4 (2003) 723–727.
20
A XAFS STUDY OF SURFACE OXIDISED Fe PARTICLES
O4
W. Szczerba 1*, M. Sikora 1, M. Borowiec 1, D.A. Zajac 1,
P. Chometowski 1, Cz. Kapusta 1, and M.R. Ibarra 2,3
Department of Solid State Physics, Faculty of Physics and Applied Computer Science,
AGH University of Science and Technology, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland
2
Facultad de Ciencias, Universidad de Zaragoza-CSIC, Pedro Cerbuna 12, 50009 Zaragoza, Spain
3
Instituto de Nanociencia de Aragon, Universidad de Zaragoza, Pedro Cerbuna 12, 50009 Zaragoza, Spain
1
Keywords: XAFS, surface oxidised Fe particles, Fe oxides
*) e-mail: wsz@agh.edu.pl
A study of surface oxidised iron particles with X-ray
absorption spectroscopy (XAS) at the Fe:K,L2,L3 edges
and the O:K edge is presented.
Powder samples were prepared by ball milling and subsequently thermally treated in vacuum or air. The XAS
study of the samples and the reference Fe oxides in the
XANES range of the Fe:K edge has been carried out at the
synchrotron laboratory HASYLAB, Hamburg. Simultaneous measurements in the transmission geometry and total
electron yield (TEY) have been carried out. The transmission spectra which correspond to probing of the bulk do not
reveal the presence of iron oxides within 1% error margin,
except for the sample annealed in air at 300 C. Its spectrum
consists of the contributions of 95% metallic Fe, 4% magnetite and 1% hematite. The TEY spectrum of the sample,
which corresponds to a few hundreds of nanometres probing depth, contains contributions of 45% metallic Fe, 42%
magnetite and 13% hematite. Taking into account different
probing depths of both methods the average thickness of
the oxide layer could be determined.
The XANES spectra of the samples studied and the
reference oxides at the Fe:L2,L3 edges, O:K edge and the
EXAFS spectra at the O:K edge have been measured at the
synchrotron laboratory ELETTRA, Trieste. The TEY detection mode was used, which in the case of the Fe:L edges
and the O:K edge has the probing depth of a few nanometres.
The O:K edge XANES spectra and their derivatives as well
as the EXAFS spectra have been fitted with a linear combination of the spectra of the reference oxides. This provided the
information on the content of individual oxide species in the
surface layers, which is particularly valuable for the samples
thermally untreated and annealed in vacuum, where the oxide
layer is of nanometric thickness. A relation of the content and
thickness of the oxide layer to the magnetoresistive properties
of the material is discussed.
Figure 1. XANES spectra at the O:K edge of the reference oxides and the two thermally treated samples.
Figure 2. EXAFS χ-functions at the O:K edge of the reference oxides and the two thermally treated samples.
Acknowledgements: A support from the European Commission,
Project No. 027827, IST-2004-2.4.2 and from the Polish Ministry
of Science and Higher Education, Project No. 60/6.PR UE/2007/7
is acknowledged.
21
O5
MESOMORPHIC PHASE IN PRECISELY BRANCHED POLYETHYLENES
M. Basiura 1*, B. Goderis 2, V.B.F. Mathot 2, J. Sworen 3, and K.B. Wagener 3
Institute of Textile Engineering and Polymer Materials, University of Bielsko-Biała,
ul. Willowa 2, PL 43-309 Bielsko-Biała, Poland
2
Molecular and Nanomaterials, Catholic University of Leuven, Celestijnenlaan 200F, B3001 Heverlee, Belgium
3
The George and Josephine Butler Polymer Research Laboratory, Department of Chemistry, University of Florida,
Gainesville, Florida, 32611-7200, USA
1
Keywords: polyethylenes, crystallization, transient phase, synchrotron SAXS/WAXD
*) e-mail:mbasiura@ath.bielsko.pl
Recently, several authors suggested the existence of a
transient mesomorphic phase to explain the crystallization-induced morphological changes in polyethylenes [1,
2]. Up to now, the assumed layer-like mesomorphic phase
could not be observed by scattering techniques, probably
because the amount is too low or its lifetime prior to conversion into crystalline material too short. In the group of K.
Wagener precisely branched polyethylenes were synthesized
using Acyclic Diene Metathesis (ADMET) polycondensation chemistry [3-6]. Here, the focus is on the temperature
dependent morphology of two ADMET polyethylenes with
precisely positioned hexyl branches every 21st and 15th carbon along the polyethylene backbone (HPEO21 and HPEO15
respectively). Very clearly, a mesomorphic phase is involved
in the crystallization of these samples.
During its crystallization the polyethylene with 1 hexyl
branch at every 21st carbon atom (HPEO21) organizes into
paracrystalline stacks of monodisperse crystalline layers,
separated by amorphous matter. Small and wide angle
synchrotron X-ray and small angle light scattering experiments reveal that the ethylene sequences in the layers are
tilted approximately 45° with respect to the layer normal
and that they are arranged in a monoclinic fashion after a
rapid transition from amorphous (mesomorphic) precursor
layers in which the ethylene sequences are not tilted. The
thickness of these precursor layers closely agrees with the
value predicted by the Strobl crystallization line for polyethylene [7].
The polyethylene with 1 hexyl branch every 15th carbon
atom (HPEO15) crystallizes just before vitrification without
passing a mesomorphic layer phase. The formed, unidentified structures melt closely after devitrification. However,
upon further heating, amorphous layers are formed with a
density deviating from that of the matrix. The fraction of
the layers increases with annealing time and the layers melt
at the stability limit of mesomorphic layers with a thickness
identical to the stretched ethylene sequences and predicted
by the Strobl crystallization line [7]. For this particular
sample, X-ray scattering experiments support the presence
of non-crystalline, mesomorphic layers in a rather wide
temperature range.
Acknowledgements: M. Basiura and B. Goderis thank the Fund
for Scientific Research-Flanders (FWO-Vlaanderen) and Prof.
Harry Reynaers (Catholic University of Leuven) for a research
grant and support of the Dutch-Belgian Beamline (DUBBLE)
project. Dr. Wim Bras and Dr. Florian Meneau (DUBBLE, ESRF,
Grenoble) are acknowledged for assistance during the synchrotron X-ray measurements.
References
[1] G. Strobl, Eur. Phys. J. E 3 (2000) 165-183.
[2] S. Rabiej, B. Goderis, J. Janicki, V.B.F. Mathot, M.H.J. Koch,
G. Groeninckx, H. Reynaers, J. Gelan, A. Wlochowicz, Polymer 45 (2004) 8761-8778.
[3] J.E. O’Gara, K.B. Wagener, S.F. Hahn, Makromol. Chem.,
Rapid Commun. 14 (1993) 657-662.
[4] D.J. Valenti, K.B. Wagener, Macromolecules 30 (1997) 66886690.
[5] K.B. Wagener, J.M. Boncella, J.G. Nel, Macromolecules 24
(1991) 2649-2657.
[6] J.E. O’Gara, J.D. Portmess, K.B. Wagener, Macromolecules
26 (1993) 2831-2841.
[7] T.Y. Cho, B. Heck, G. Strobl, Colloid Polym. Sci. 282 (2004)
825-832.
22
DEPOSITION OF SUPERCONDUCTING NIOBIUM FILMS
INSIDE RF-CAVITIES OF PARTICLE ACCELERATORS
O6
M.J. Sadowski 1, R. Mirowski 1, R. Nietubyć 1*, P. Strzyżewski 1,
S. Tazzari 2, L. Catani 2, A. Cianchi 2, J. Lorkiewicz 2, and R. Russo 3
1 Institute for Nuclear Studies, PL-05400 Świerk, Poland
2 University Tor Vergata and INFN Roma 2, I-00133 Rome, Italy
3 Institute of Cybernetics CNR, Naple, Italy
Keywords: RF cavities, superconducting films, film deposition
*) e-mail: r.nietubyc@ipj.gov.pl
cal spectrum in the visible range was measured during the
discharge. It showed the appearance of neutral and singlyionized niobium atoms.
The arc discharge was initiated by a 50 mJ Nd:YAG la-
The generation of electromagnetic fields in the radiofrequency (RF) cavities is the important long-studied issue in the accelerator physics and technology. The effective
acceleration of electrons emitted from a cathode requires
high electrical field gradients. This determines an amount
of energy dissipated upon RF cavity walls. To avoid large
energy losses, and particularly over-heating, which might
lead to a large temperature rise, a film with an uniform and
defects-free surface and characteristics, corresponding to
the bulk superconductor, e.g. pure niobium, must be obtained.
In technical research activities concerning the construction of large linear accelerators, particular attention was paid
to the possibility of depositing thin super-conducting layers.
Originally, the magnetron sputtering has been proposed as a
well established deposition technique. Unfortunately, some
unwanted features of the layers deposited with this technique, appeared to be impossible to overcome, e.g. the Q0
factor degradation, insufficient film quality and purity.
This paper reports on the development achieved in the
ultra high vacuum cathodic-arc deposition technique [1-2].
The so-called linear- and planar-arc devices are described
together with appropriate micro-droplets filters. The efficiency of the filtered deposition has been analyzed by performing model calculations and experiments. The structure
and superconducting properties of the deposited Nb-films
have been studied.
An experimental set-up with the UHV linear-arc [3]
is presented in Fig. 1. The linear-arc configuration of the
deposition facility was especially designed for coating the
inner surfaces of TESLA-type resonator cavities with pure
Nb layers. In this scheme the RF resonator cell itself constitutes a vacuum chamber enclosing the vertically oriented
cylindrical, hollow niobium cathode surrounded by a cylindrical micro droplet magnetic filter (not-shown in Fig.
1). The model calculation of the magnetic field distribution
in the inner part of filter have been conducted with a Maxwell@D-v10 code.
In order to control the cleanliness of the deposited
film, the pressure and composition of the residual gas was
continuously analyzed (i.e. before and during the arc discharge) using a quadrupole mass spectrometer. The basic
pressure was settled within the 10 -10 mbar range. An opti-
Figure 1. UHV linear-arc deposition set-up with a cylindrical cathode.
ser beam pulses (532 nm, 20 ns) focused upon the cathode
surface. It resulted in the formation of an arc channel due to
the ablation of the cathode material. As known, the arc discharge originates usually from a small spot moving upon
the cathode surface. Due to high energy density in the spot
area, atoms, ions and micro-droplets are ejected from the
spot and move together with electrons within the arc channel
Energies of these species range from 10 eV up to 100 eV.
Such a plasma stream can be directed with a magnetic field
and deposited in the controlled way upon the substrate. Due
to high purity of the cathode, high-vacuum environment and
relatively high energy of the ions reaching the substrate, a
dense, pure and defect-free film can be produced.
The planar-arc deposition facility was equipped with a truncated cone cathode [4-5], which was fixed upon a cooled
23
support at the bottom of the vacuum chamber, as shown in
Fig. 2.
In this configuration, the filtering was based on the
guiding of the arc plasma column through a bent magnetic
the linear source facility. The critical temperature Tc and
critical current density Jc of the deposited Nb films were
measured by an inductive method. The values typical for
bulk Nb, i.e. Tc = 9.26 K, and Jc = 3×107 A/cm2 have been
observed.
Such results indicate high purity of the deposited layers.
This conclusion has been confirmed by results of measurements performed by means of SIMS and GD-OES techniques. They showed that the niobium hydride concentration was below 0.2%, while the concentrations of oxide,
and metallic impurities were lower than 100 ppm.
X-ray diffraction studies have been performed with a
DORIS III storage ring at the Hasylab. Results indicated
that a thin, quasi-epitaxial Nb layer is formed in the interface region (see Fig. 3). The preferred orientation of 110
planes parallel to the surface was observed for the whole
film. We have found that higher ion impact energy, resulting from applying -70 V of bias potential to the sample,
leads to less-strained or less-defected crystalline lattice,
but it does not improve the RRR value satisfactorily.
The SEM analysis of the surface morphology showed
that droplets-free, homogenous and dense films were ob-
Figure 2. UHV planar-arc deposition set-up with a magnetic filter for the elimination of micro-droplets.
channel. Different knee-type filters as well as T-shaped
ones have been designed and used for the micro-droplets
elimination.
The performed model studies showed that for all the
investigated filters, the magnetic flux transmitted through
the filter is highly sensitive to the geometric conditions
and magnetizing currents. An approximately homogenous
field, which does not penetrate the wall, has been found as
the optimum solution for arc plasma guiding. For the magnetizing current equal to 200 A, the field intensity has been
varied from 16 mT in the cathode region down to 12 mT at
the filter outlet [6].
The films of 2 μm in thickness were successfully deposited. The deposition rate within the system operated with
arc currents of 80-100 A was about 1 nm/s The sample temperature during deposition rose up to 530 K. The observed
residual gas pressure rise during the arc discharge was almost exclusively caused by hydrogen. Its partial pressure
was more than 3 orders of magnitude higher than that of
other contaminants.
The structure of resulting films has been studied in order to understand the influence of deposition conditions on
the superconductive properties, i.e. RRR, Tc and ΔTc values.
The RRR value equal to 80 has been reached at a temperature of 10 K within the planar source system applying a
bias voltage of –70 V, while RRR = 40 was obtained within
Figure 3. Nb/sapphire (0001) diffraction pattern.
tained during the filtered depositions. The surface roughness
was of the order of a few tens of nanometers [7]. The micro-droplets concentration on the film surface was found to
be significantly lower, and size distribution shifted towards
smaller radii, as compared with the films obtained without
filter. Some portion of micro-droplets is buried inside the
film. These micro-droplets are not visible in the picture directly, but they modify the surface morphology.
Possibility of the elimination of micro-droplets by
means of a magnetic filter has been proved by SEM measurements, as shown in Fig. 4.
Measurements of the resistivity versus temperature,
which were performed for Nb films deposited on sapphire
24
Nb cavities. It should be added that the investigated sample
sustained the magnetic field of 300 Oe.
In the conclusion it might be stated that we have developed
an experimental system for the UHV cathodic arc deposition and we have proved that superconducting, high-purity,
smooth and micro-droplet-free films, having crystalline
structure similar to bulk niobium can be produced. Samples of the Nb films on the cupper and on sapphire substrates, as well as the inner wall of a test cavity were coated
and studied in order to optimize the technological process.
The performed studies showed that this technique can be
considered as a valuable option for the constructing superconducting RF cavities. Particularly, it makes an interesting alternative for the RF sputtering deposition.
Acknowledgements: We acknowledge the support of the European Community Research Infrastructure Activity under the FP6
Structuring the European Research Area Program (CARE, contact number RII-3-CT-2003-506395).
The authors wish to thank Wojciech Paszkowicz, Jerzy Pełka and
Ryszard Sobierajski from the Institute of Physics PAS for their
work with the XRD measurements.
References
[1] J. Vyskocil, J. Musil, J. Vac. Sci. Technol. A 10 (1992) 1740.
[2] A. Anders, Vacuum 67 (2002) 673.
[3] J. Langner, M.J. Sadowski, K. Czus, R. Mirowski, J.
Witkowski, L. Catani, A. Cianchi, R. Russo, S. Tazzari, F.
Tazzioli, D. Proch, N.N. Koval, Y.H. Akhmandeev, Czech. J.
Phys. 54 (2004) C1.
[4] J. Langner, R. Mirowski, M.J. Sadowski, P. Strzyżewski, J.
Witkowski, S. Tazzari, L. Catani, A. Cianchi, J. Lorkiewicz,
R. Russo, Vacuum 80 (2006), 1239.
[5] L. Catani, A. Cianchi, J. Lorkiewicz, J. Langner, P. Strzyżewski,
M.J. Sadowski, A. Andreone, G. Cirafello, E. Di Gennari, G.
Lamura, R. Russo, Physica C 441 (2006) 130.
[6] P. Strzyżewski, J. Langner, R. Mirowski, M.J. Sadowski, S.
Tazzari, J. Witkowski, Phys. Scripta T123 (2006) 135.
[7] L. Catani, A. Cianchi, J. Lorkiewicz, S. Tazzari, J. Langner,
R. Mirowski, M.J. Sadowski, P. Strzyżewski, J. Witkowski,
B. Ruggiero, R. Russo, International Workshop on Thin Films
and New Ideas for Pushing the Limits of RF Superconductivity (9-12 Oct. 2006, Padua-Legnaro, Italy).
Figure 4. SEM pictures of Nb layers deposited using the
filter (upper part) and without filter (lower part).
in the range up to 500 K, showed evidences for a re-arrangement of the grain morphology occurring in the temperature range of 610 K up to 670 K.
The RF performance of the filtered Nb coated samples
has also been investigated. The quality factor Q equal to
3×108 has been measured within the test resonator [7]. This
value is of the same range as values typical for the bulk
25
O7
MAGNETITE-BASED NANOPARTICLES AS CONTRAST AGENTS FOR MRI
K. Schneider 1*, P. Kwaśniewski 1, Cz. Kapusta 1, D. Zając 2, C.I. Marquina 3,
M.R. Ibarra 3, A. Świerczyna 4, and A. Urbanik 4
1 Faculty of Physics and Applied Computer Science, AGH University of Science & Technology, 30-059 Kraków, Poland
2 Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences, 31-342 Kraków, Poland
3 Instituto Nanociencias de Aragon, Universidad de Zaragoza, Spain
4 Radiology Department, Collegium Medicum, Jagiellonian University, 31-008 Kraków, Poland
Keywords: magnetite nanoparticles, contrast agents, MRI
*) e-mail: krystyna.schneider@agh.edu.pl
Results of a XAS study of new magnetic nanoparticle
materials based on iron metal and iron oxides are presented. The materials have potential biomedical applications,
e.g. as contrast agents in MRI. Several samples of carbonsilica- and zeolite coated nanoparticles have been obtained
by ball milling, arc melting and co-precipitation. The coatings prevent agglomeration of the particles, slow down their
removal from the circulation in blood and limit absorption
of the harmful transition elements. In order to determine
the local structure and the Fe valence state in the materials,
the X-ray absorption spectroscopy in the XANES (X-ray
Absorption Near Edge Structure) range was used. The experiments were performed at the Fe:K edge at room temperature in Hasylab/DESY, Hamburg.
Metallic Fe, hematite, maghemite and magnetite were used
as standards. The edge energy and shape in the spectra of the
materials prepared by co-precipitation and milling of magnetite are the closest to those of maghemite (Fig. 1). This reveals
the oxidation occurring during preparation procedure and no
noticeable difference is observed between the co-precipitated
materials annealed in air and argon atmosphere.
The results show that the standard characterization of
nanomaterials using X-ray diffraction is not sufficient as it
does not provide the information on the real stoichiometry
of iron oxide.
The edge energy and shape in the spectra of the nanoparticles prepared by the arc melting of the iron filled and
magnetite filled graphite electrodes are similar to those of
metallic iron, which reveals a reduction of magnetite to iron
by carbon upon arc melting (Fig. 2).
This fact can be explained by reducing effect of carbon
during melting of magnetite. Preliminary MRI experiments
performed on water suspensions of the materials studied
indicate their high efficiency in increasing the T2 and T2*
contrasts.
Figure 1. XANES spectra on Fe:K edge for silica coated
nanoparticles produced by co-precipitation method and for
zeolite coated nanoparticles prepared by milling.
Acknowledgments: This paper was supported by the Polish Ministry of Science and Higher Education, Project No. PBZ/MEiN/
01/2006/57.
Figure 2. XANES spectra on Fe: K edge for carbon coated
nanoparticles produced by arc melting.
26
BEYOND THE CRACOW SYNCHROTRON - THE POLFEL PROJECT
O8
Grzegorz Wrochna
Soltan Institute for Nuclear Studies, 05-400 Otwock-Swierk, Poland
Keywords: lighyt source, free electron laser
email: wrochna@ipj.gov.pl
Creation of Synchrotron Radiation Center in
Cracow is for Poland an important step to join the
frontline of European research. This is, however,
a moving target and we already need to think of
next steps. An example is the Polish Free Electron Laser (POLFEL) project to be build at the
nuclear center in Swierk. The conceptual design
of the POLFEL will be presented together with
the construction plans.
Free Electron Lasers (FEL) are generators
of coherent beams of radiation of wavelength
tunable from millimeters to X-rays. These devices open a brand new area of research of possibilities that can hardly be evaluated today.
Intensity, brightness and quality of radiation
delivered by FELs are several orders of magnitude higher than currently used sources of
radiation. In some cases, FELs allow the delivery of radiation in currently unavailable ranges
as the THz range. FELs may be used in physics, chemistry, biology, material science, environmental
science or medicine helping to understand the principles
of light interaction with matter, processes in living cells,
chemical reactions and material structures. This may be
accomplished by:
• studies of electronic properties of molecules and condensed matter
• three dimensional imaging of atomic structures
• registration of processes occurring in atomic and femtosecond range, e.g. energy transfer, excitations, chemical reactions and biological processes.
In free electron lasers the light pulses are created by
electron beam formed in a linear accelerator. POLFEL
will be driven by superconducting accelerators (sc linacs),
because structures operating at room temperature, due
to the enormous energy dissipation can operate in pulse
mode only with a rather low duty cycle. The three main
advantages of sc linacs are:
• Flexibility in the time structure of the electron and
photon beams, which is crucial for many experiments,
Figure 1. POLFEL architectural concept.
• Higher average brilliance, which allows for more experimental photon lines,
• Operation in continuous wave (cw) and near-cw mode,
ultimately with energy recovery option.
A superconducting driving linac is technically more
challenging than the normal conducting version but, it offers a broader range of experiments and its operation is less
expensive.
Basic parameters of the POLFEL source:
o Continuous electron beam with energy 600 MeV,
o Wavelength: primary - 27 nm, 3rd harmonic - 9 nm,
o Maximum beam power in pulse: 0.22 GW,
o Length of device: up to 400 m.
POLFEL will be built using technology developed (with
participation of Polish experts) for the XFEL laser at DESY
(Hamburg). In this way, one can avoid expensive and long
R&D phase. Components can be produced as an extension
of the XFEL production for the „mass production” price.
27
O9
SYNCHROTRON RADIATION IN BIOLOGY AND MEDICINE:
PRESENT STATUS AND A LOOK AHEAD
J.B. Pełka*
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, al. Lotników 32/46, PL 02-668 Warsaw, Poland
Keywords: biomedical beamlines, X-ray imaging, radiotherapy, in-vivo imaging, moloecular medicine
e-mail: pelkay@ifpan.edu.pl
Synchrotron radiation (SR) has been extensively exploited in biology and medicine since more than thirty
years. Intense x-ray beams produced by synchrotron facilities opened new possibilities of life forms imaging in
various scales, from humans, through tissues, down to subcellular systems. SR sources form also suitable tools for
determining structures of biologically active molecules,
as well as for studying biological phenomena by a number
of spectroscopic and other e.m. radiation-related methods.
Underway are developments of new, SR specific, diagnostic and therapeutic techniques for application with live human patients [1].
Photon energies applicable in the medical x-ray techniques cover the range of 10-300 keV (with higher energy
values employed in radiotherapy). Typically, at biomedical
stations, high photon energies are limited to 90-120 keV.
Human body is practically opaque to the photons of energy
below 10 keV. Even so, in scientific study and in diagnostics, aimed on characterization of tissues, cells or bioactive
molecules, beams of lower photon energies, including the
infra-red range, are employed as well.
Properties of synchrotron x-ray beams are, in many
instances, quite different from those of standard medical
sources exploiting the x-ray tubes. All SR source types,
with the most common bending magnets (BM), wigglers
and planar undulators, apart their specific characteristics,
produce highly collimated and polarized beams of intensity
exceeding by many orders of magnitude the intensities obtainable even by the strongest classical x-ray sources. White
beams from bending magnets and wigglers provide, after
monochromatization to an arbitrary wavelength, a reasonable intensity, forming an excellent tool for biological and
medical science applications. In diagnostics and therapy,
the SR sources offer a base for a number of highly specific
methods, making it possible to overcome many limitations
of the conventional techniques. The methods benefit of extraordinary beam intensity, equivalent to dose rates up to
104-105 Gy/s, what, among others, opens up a possibility of
an ultra-fast imaging of moving parts of a body (like heart
or respiratory system). The other advantage is a high coher-
ence and polarization of SR sources, practically inaccessible from any conventional x-ray tube, forming an excellent
source to a variety of phase contrast imaging techniques. A
contrast of soft tissue images formed this way exceeds, by
a factor of up to 103, that one obtainable by methods of conventional radiography exploiting differences in absorption.
At the same time, the phase contrast images show enhanced
spatial resolution and can be recorded with a lower irradiation dose.
In recent years, SR medical applications significantly
extend toward clinical treatments of live animals and human patients. To the earliest synchrotron-enhanced diagnostic methods encounters angiography, clinically applied,
e.g., at DORIS (HASYLAB, Hamburg) [2] and in KEK
(Tsukuba) [3]. Lately, a new phase contrast mammography
program has been started at the medical station SYRMEP
at ELETTRA (Trieste). Very promising are new, SR specific, radiotherapy methods – the Microbeam Radiotherapy
(MRT) and the Photon-Activated Therapy (PAT), that were
shown to be especially efficient in treatment of tumors
located in central nervous system (CNS) at relatively low
risk.
This work is focused on a present status of SR applications in medicine and biology to imaging, diagnostics
and radiotherapy. A concise review of chosen typical techniques will be shown with a discussion of their expected
further development. As a biomedical line is planned at the
National Synchrotron Radiation Center to be constructed
in Krakow, its guidelines will be also summarized.
References
[1] R. Meuli, Y. Hwu, J.-H. Je, G. Margaritondo, „Synchrotron radiation in radiology: radiology techniques based on synchrotron sources”, Eur. J. Radiol. 14 (2004) 1550–1560.
[2] W.-R. Dix, „Intravenous coronary angiography with synchrotron radiation”, Prog. Biophys. Mol. Biol. 63 (1995) 159.
[3] Y. Sugishita, S. Otsuka, Y. Itai, T. Kakeda, M. Ando, K. Hyodo, „Synchrotron radiation coronary angiography and its application”, Abstracts of 10th Meeting of the Jpn. Soc. Synchr.
Rad. Res., Abstract 1 (1997).
28
MECHANIZM POWSTAWANIA PROMIENIOWANIA
SYNCHROTRONOWEGO W PULSARACH
O10
Henryk Drozdowski *
Instytut Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 85, PL-61-614 Poznań, Polska
*) e-mail: riemann@amu.edu.pl
Prezentowana praca przedstawia wyniki badań mechanizmu powstawania promieniowania synchrotronowego
w pulsarach. Te zagadkowe zegary Wszechświata charakteryzują się nadzwyczajną regularnością i krótkim okresem
(rzędu sekundy) pulsującego promieniowania, co odróżnia je od innych obiektów astronomicznych.
The mechanism of generation of synchrotron radiation by pulsars. On the basis of the research results the
mechanism of generation of the synchrotron radiation by pulsars is presented. The pulsars, known as the Clocks of
the Universe, are characterized by the unique feature of emitting pulse radiation of excellent repeatability and a short
duration of an order of a second, which distinguishes them among other astronomical objects.
1. Wstęp
Czterdzieści lat temu odkryto niezwykle szybko obracające się, bardzo gęste obiekty o niewielkich rozmiarach
i znacznej masie, wysyłające silne i krótkotrwałe błyski
promieniowania radiowego. Pulsary należą do najbardziej
niezwykłych obiektów występujących we Wszechświecie.
Są one też źródłem promieniowania synchrotronowego.
= ~106 km i typowej wartości indukcji pola magnetycznego
B1 ~ 10 Gs.
Zachowanie strumienia magnetycznego przy zmniejszeniu się promienia od R1 = ~106 km do R = ~10 km prowadzi
do powstania gigantycznego pola magnetycznego o indukcji
B rzędu 1011 Gs! Istnienie szybko rotującego wraz z gwiazdą
neutronową pola magnetycznego o olbrzymiej indukcji magnetycznej ma zasadnicze znaczenie dla zrozumienia mechanizmu emisji promieniowania pulsarów.
2. Natura pulsarów
Pulsary identyfikuje się obecnie z gwiazdami neutronowymi [1]. Gwiazdy te powstają w wyniku zapadania
grawitacyjnego centralnych rdzeni masywnych gwiazd,
poprzedzającego wybuch supernowej. Typowe okresy pulsarów są rzędu 1 sekundy a typowy czas trwania impulsu
Δt ~ 0.1 T. Rekordowo krótki okres (0.033 s) stwierdzono
u pulsara znajdującego się dokładnie w centrum mgławicy
Kraba. Pulsar w Krabie obserwowany jest we wszystkich
zakresach długości fal elektromagnetycznych. Wszystkie
pulsary charakteryzuje ogromna stałość okresu. Jedynym
zjawiskiem, które może zapewnić wielką stałość okresów
powtarzania się impulsów, jest wirowanie niewielkiego
obiektu. Jeżeli jest to gwiazda, musi ona być bardzo mała
i bardzo masywna, inaczej siły odśrodkowe pojawiające się
przy rotacji tego obiektu w tempie kilkudziesięciu obrotów
na sekundę, rozerwałyby go na części.
4. Zagadka promieniowania pulsarów
Pierwsze właściwe wyjaśnienie natury pulsarów dał angielski astrofizyk Thomas Gold [2]. Model Golda zakłada, że gwiazda neutronowa jest wirującym dipolem magnetycznym, którego oś tworzy pewien kąt z osią obrotu.
Z rejonu biegunów magnetycznych emitowane jest silne
promieniowanie elektromagnetyczne, które rozchodzi się
wąskim stożkiem w przestrzeń. Wskutek nachylenia osi
magnetycznej do osi rotacji stożek omiata przestrzeń na
podobieństwo latarni morskiej. Pulsar emituje wiązkę fal
elektro-magnetycznych stale, ale my ją widzimy w postaci błysków. Bardzo silne pole magnetyczne gwiazdy neutronowej w połączeniu z jej szybkim ruchem obrotowym
jest przyczyną mechanizmu fizycznego, generującego
strumienie cząstek nad biegunami gwiazdy neutronowej
[3]. Powstają silne pola elektryczne w pobliżu gwiazdy,
które wymuszają wypływ elektrycznie naładowanych cząstek z powierzchni w pobliżu biegunów magnetycznych
w przestrzeń. Omówienie mechanizmu powstawania promieniowania synchrotronowego w pulsarach znajduje się
w monografii [3].
3. Jak powstają pulsary?
Silne skurczenie się gwiazdy prowadzi do zwiększenia
prędkości jej obrotu. Jądro gwiazdy supernowej zachowuje
podczas zapaści swój dotychczasowy moment pędu (L =
Iω = const), co oznacza − przy gwałtownym zmniejszeniu
się momentu bezwładności − silny wzrost prędkości rotacji. Naturalną konsekwencją silnego skurczenia materii jest
więc szybsza rotacja. Równocześnie wzrasta pole magnetyczne, gdyż wymaga tego zasada zachowania strumienia
magnetycznego: BR2 = const. Typowa gwiazda neutronowa
o promieniu R = ~10 km powstała prawdopodobnie w wyniku ewolucji „normalnej” gwiazdy o promieniu rzędu R1
Literatura
[1] J. Narlikar, The Structure of the Universe (Oxford University
Press, Oxford, London 1997).
[2] T. Gold, Nature, 218 (1968) 731.
[3] H. Drozdowski, Fizyczny obraz świata (Wyd. Naukowe UAM,
Poznań 2007).
29
P1
EFFECT OF ANNEALING ON CREATION OF NANOCLUSTERS IN GaMnAs
J. Bąk-Misiuk 1*, P. Romanowski 1, E. Dynowska 1, J.Z. Domagała 1, E. Łusakowska 1,
A. Misiuk 2, J. Sadowski 1, A. Barcz 1,2, and W. Caliebe 3
1
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Al. Lotnikow 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
2
Institute of Electron Technology, Al. Lotnikow 46, 02-668 Warsaw, Poland
3
HASYLAB at DESY, Notkestrasse 85, D-22603, Hamburg, Germany
Keywords: X-ray diffraction, strain, GaMnAs, nanoclusters
*) e-mail: bakmi@ifpan.edu.pl
Ferromagnetic semiconductors, such as GaMnAs, have
recently received much interest, due to the interesting physical properties as well as of possible application in spin-electronic.
This paper is focused on investigation of the defect
structure of Ga1-xMn xAs (0.01 ≤ x ≤ 0.1) thin films deposited
on the GaAs substrate and subjected to annealing under atmospheric as well as under enhanced hydrostatic pressure.
Ga1-xMn xAs layer was grown on (001) oriented GaAs substrate by the MBE method. After growth the samples were
annealed (T-treatment) at up to 870 K under ambient and
enhanced hydrostatic pressure (HP-T treatment). The structure of samples was determined by high resolution X-ray
diffraction methods using the conventional and synchrotron radiation sources (HASYLAB-DESY). Conventional
X-ray investigations were carried out using MRD-PHILIPS
diffractometer in the double and triple axis configurations.
Atomic Force Microscopy (AFM) measurements were performed with Digital Instrument in tapping mode; the root
mean square roughness (RMS) was determined. RMS is
defined as a standard deviation of the roughness in the direction perpendicular to the surface. Secondary Ion Mass
Spectroscopy (SIMS) was used for determination of the Mn
depth profiles. The phase analysis of the near-surface layers
was performed using synchrotron radiation in the glancing
incidence geometry. In such mode of measurement the rotational axis of the sample (ω axis) is aligned exactly with
the sample surface and then the sample is rotated about this
axis by a very small angle α (here, equal to 1°). During
measurement the angular position of the sample with respect to the incident x-ray beam (α) is fixed while the detector is rotated in the wide range of 2Θ angles in the plane
perpendicular to the sample surface.
The layer thickness, calculated before and after the
treatment from the interference fringe distance, remained
practically the same. The GaMnAs layer after the growth
was under compressive strain (the out-of-plane lattice parameter of the layer was higher than that of the substrate).
After annealing the out-of-plane and relaxed lattice parameters of the layers decreased and for some samples were
smaller than that of GaAs substrate (Fig. 1). Before and after annealing all layers were fully strained in respect to the
substrate. It is worth to mention that the Mn concentration
remained unchanged before and after the treatment (SIMS
results). Contraction of the lattice parameter, down to the
lattice parameter of the GaAs substrate, can be related to
decreased concentrations of interstitial Mn atoms and/or of
arsenic antisites [1].
Removal of interstitials can not explain experimental results:
Figure 1. 2Θ/ω scans for Ga0.98Mn0.02As (004 reflection) of
as-grown (1), T treated (2) and HP-T treated (3).
the layer lattice parameter is lower than that of the substrate in
the case of GaMnAs layer (Fig. 1). It has been shown [2] that
a creation of MnAs nanoclusters can modify diffraction from
the layer with changing (from compressive to tensile) strain
within the layers. It depends on temperature of annealing
and a creation of cubic or hexagonal GaMnAs nanoclusters
observed for some samples using synchrotron glancing incidence geometry method. Assuming that the last effect takes
place during annealing, a creation of nanoclusters under the
HP-T annealing conditions seems to be more pronounced than
that under ambient pressure (Fig. 1).
Ministry of Science and Higher Education of Poland under the
grant No. N20205232/1189.
References
[1] J. Masek, J. Kurdnowsky, F. Maca, Phys. Rev. B 67 (2003)
153203.
[2] M. Moreno, V.M. Kaganer, B. Jenichen, L.A. Trampert,
L. Daweritz, K. Ploog, Phys. Rev. B 72 (2005) 115206.
30
FULLERENOPODOBNA STRUKTURA WĘGLI AKTYWNYCH
P2
Ł. Hawełek 1, A. Bródka 1, J.C. Dore 2, V. Honkimaki 3, and A. Burian 1*
1
A. Chelkowski Institute of Physics, University of Silesia, ul. Uniwersytecka 4, 40-007 Katowice, Poland
2
School of Physical Sciences, University of Kent, Canterbury, CT2 7NR, UK
3
European Synchrotron Radiation Facility, BP 220, 38043 Grenoble, France
Keywords: activated carbons, high-energy X-ray diffraction
*) e-mail: andrzej.burian@us.edu.pl
rozkładu atomów. Symulacje dynamiki molekularnej wykonano dla temperatury 2 K oraz, w celu uwzględnienia drgań
termicznych, w 300 K. Rozważano wpływ atomów wodoru,
które nie zostały całkowicie usunięte z badanych węgli podczas procesu pirolizy. Do rozważanych modeli wprowadzone zostały atomy wodoru, w celu sprawdzenia ich wpływu
na badane struktury. Otrzymano miejscowe zakrzywienia
modelowanych warstw wynikające z obecności pierścieni
pięcio- i siedmioatomowych, obecność których zapewniła zgodność wyników otrzymanych metodami dynamiki
molekularnej z danymi eksperymentalnymi. Zakrzywienia
takie powodują powstawanie struktury fullerenopodobnej
węgli aktywnych, co daje nadzieję na wyjaśnienie problemu
stabilności tych materiałów oraz mechanizmu tworzenia się
mikroporów w tego typu układach.
Przez ostatnie lata nie słabnie zainteresowanie węglami
aktywnymi, materiałami o szerokim i ważnym zastosowaniu technologicznym. Pomimo tego ich struktura w skali
atomowej pozostała nadal słabo poznana. W poniższej pracy
analizowana jest struktura komercyjnych węgli aktywnych
AX21, BP71 i CXV metodami dyfrakcji wysokoenergetycz-nego promieniowania X oraz dynamikę molekularną.
Badania dyfrakcyjne przeprowadzono na synchrotronie
ESRF (Grenoble, France) na linii pomiarowej ID15B w zakresie wektora rozpraszania 0 < Kmax < 24 Å-1, przy czym
K = 4πsinθ/λ, 2θ jest kątem rozpraszania, a λ długością fali.
Z otrzymanych danych dyfrakcyjnych została wyznaczona
funkcja rozkładu radialnego atomów. Rozważone zostały modele o ilości 1-4 warstw grafitowych o promieniu do
20 Å, do których wprowadzono pięcio- i siedmioatomowe
pierścienie. Tak generowane modele poddawano relaksacji
poprzez zastosowanie potencjału REBO (reactive empirical
bond order potential) dla oddziaływań C-C w warstwie grafitowej oraz potencjału Lennarda-Jonesa dla oddziaływań
międzywarstwowych [1,2]. Dla generowanych układów policzone zostały czynniki struktury S(K) oraz radialne funkcje
Bibliografia
[1] D.W. Brenner, O.A. Shenderova, J.A. Harrison, S.J. Stuart, N.
Boris, N.B. Sinnott, J. Phys.: Condens. Matt. 14 (2002) 783.
[2] L.A. Girifalco, M. Hodak, R.S. Lee, Phys. Rev. B 62 (2000)
13104.
31
P3
LOW TEMPERATURE STRUCTURAL BEHAVIOUR
OF THE LITHIUM IRON SPINELS
J. Darul *, W. Nowicki, and P. Piszora
Faculty of Chemistry, Adam Mickiewicz University, ul. Grunwaldzka 6, PL-60780 Poznań, Poland
Keywords: lithium ferrite, crystal structure and symmetry, order-disorder transition
*) e-mail: jola@amu.edu.pl
Spinel ferrites have potential applications in electrical
components, memory devices over a wide range of frequencies and microwave devices because of their high resistivity and low loss behaviour [1]. Low cost, ease of fabrication,
high Curie temperature and better temperature stability
of saturation magnetization of lithium ferrites have made
them attractive from commercial point of view and are
good substitutes of garnets (Y3Fe5O12) for microwave devices, such as isolators, circulators and gyrators. The magnetic properties of lithium ferrite may be improved by the
addition of small amounts of other cations, e.g., manganese,
chromium or aluminium ions [2]. Based on the inverse spinel structure, the lithium ferrite occurs in two crystalline
forms [3]. The lattice of LiFe5O8 is disordered, though not
completely random, at the temperature above 1000 K, and
may be quenched in air down to the room temperature, displaying a spinel Fd3m structure, with Fe3+ at tetrahedral
(8a) Wyckoff’s positions, and a 1:3 mixture of Li+ and Fe3+
ions at octahedral (16d) positions. Below 1000 K the structure becomes ‘ordered’, and can be described by the cubic
space group P4332 or its enantiomorph P4132, with Fe3+ in
tetrahedral (8c) and octahedral (12d) sites, whereas Li+ ions
occupy the (4b) octahedral positions [3].
Polycrystalline lithium iron oxides with nominal composition LiFe5O8, studied in this paper, were prepared by
the solid state reaction of Li2CO3 (Merck) with the precursor, displaying the hematite structure, in stoichiometric ratios [4]. The samples were obtained by two methods: slow
cooling (SC, at 750°C for 24 h) or rapid quenching (QC)
from temperature 1000°C, in solid CO2, to room temperature.
A low-temperature XRD measurements were carried
out at a powder diffractometer at the B2 beamline (DESY,
Hamburg). The experiment consisted in data collection using temperature steps starting from the lowest available
temperature, 50 K.
The aim of the present work is to establish, by means of
powder diffraction studies, the behaviour of two crystalline forms of lithium ferrite, that are obtained by slow cooling (SC) and rapid quenching (QC), in the low temperature
range.
Crystallographic data and structural parameters obtained from the Rietveld refinement of powder diffraction
pattern of both compounds suggest, that the type of spinel
structure, which occurs in the LiFe5O8 at room temperature, remains unchanged during the cooling to low temperatures. For example, the synchrotron X-ray diffraction
patterns recorded at the temperatures from 50 K to 300 K,
show the disordered spinel structure for LiFe5O8 (QC) in the
whole temperature range - all the Bragg reflections were
indexed on the basis of a cubic symmetry and the patterns
were refined in the space group Fd3m. On the other hand,
in the same conditions, the slow cooling sample exhibited
cation ordering on the octahedral sites, resulting in a superstructure that could be refined in the P4332 space group.
These results show that no phase transition arises at low
temperature.
Acknowledgements: The synchrotron measurements at DESYHASYLAB were supported by the IA-SFS-Contract No. RII3CT-2004-506008 of European Commission. We would like to
thank Dr. C. Baehtz from Department of Structural Diagnostics,
Research Center Dresden-Rossendorf, for his assistance during
experiments.
References
[1] E. Schloemann, J. Magn. Magn. Mater. 209 (2000) 15-20.
[2] Y.P. Fu, S. Tsao, C.T. Hu, Y.D. Yao, J. Alloys Compd. 395
(2005) 272-276.
[3] A. Tomas, P. Laruelle, J.L. Dormann, M. Nogues, Acta Crystallogr. C39 (1983) 1615-1617.
[4] J. Darul, W. Nowicki, P. Piszora, C. Baehtz, E. Wolska, J. Alloys Compd. 401 (2005) 60-63.
32
INVESTIGATIONS OF THE REDUCED TiO2(001) SURFACE
BY THE XPS/AES/UPS AND STM/STS TECHNIQUES
P4
P. Dąbrowski 1*, Z. Klusek 1, P. Kowalczyk 1, A. Busiakiewicz 1, and W. Kozłowski 1
1 Division of Physics and Technology of Nanometer Structures, Department of Solid State Physics, University of Lodz,
ul. Pomorska 149/153, 90-236 Lodz, Poland
Keywords: titanium dioxide, UPS, STS, XPS
*) e-mail: paweldabrowski@std2.phys.uni.lodz.pl
The transition metal oxides are investigated due to their
unique electronic structure which depends on temperature, pressure, electric and magnetic fields. These external
probes can induce a metal-insulator-metal transition (M-IT), charge order, high-temperature superconductivity (H-TS), negative temperature coefficient of electrical resistance
and colossal magnetoresistance. It should be stressed that
all these physical phenomena are caused by the fact that
electronic, spin and lattice degrees of freedom are tightly
coupled in these type of materials.
The rutile TiO2 crystal and it’s low index (110), (100),
(001) surfaces are treated as a prototype of much more complicated oxides surfaces [1]. Recently a number of studies
devoted to local electronic structure of lightly and heavily
reduced TiO2 crystal surfaces using scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS) have been reported
[2 - 4]. As was shown reduction of the TiO2 crystal is related
to the number of oxygen vacancies created by the repeated
cycles of heating and Ar+ sputtering. The presence of oxygen
vacations leads to the appearance of a new surface state located just below the Fermi level.
The main goal of this study was to collect fundamental information about chemical composition and
electronic structure of the reduced TiO2(001) surface by
X-ray photoemission spectroscopy (XPS), Auger electron spectroscopy (AES) and ultraviolet photoemission
spectroscopy(UPS). The obtained results showed that the
surface layer of TiO2(001) consists from TiO, TiO2, and
Ti2O3 clusters which is in a good agreement with the literature [5, 6]. The studies of electronic structure revealed the
presence of a surface state located about 0.7 eV below the
Fermi level. The surface state is ascribed to the existence of
Ti3+ ions which form Ti2O3 clusters.
In the second part of our investigations we carried out
scanning tunneling microscopy and spectroscopy measurements on TiO2(001) surface. These measurements were
aimed to study local electronic structure of the surface correlated with the topography. The obtained results showed
the presence of surface state located at energy which is very
close to the energy estimated by the photoemission experiments.
In the paper we show correlation of the spectroscopy results obtained by the global UPS technique with the results
collected by pure local STS method. As far as we know
such type of correlation of the results has not been presented in the literature yet.
Acknowledgements: The work was supported by the 501/697
Lodz University grant.
References
[1] U. Diebold, Surf. Sci. Rep. 48 (2003) 53-229.
[2] Z. Klusek, S. Pierzgalski, S. Datta, Appl. Surf. Sci. 221 (2004)
120-128.
[3] Z. Klusek, A. Busiakiewicz, P.K. Datta, Surf. Sci. 600 (2006)
1619-1623.
[4] Z. Klusek, A. Busiakiewicz, P.K. Datta, R. Schmidt, W. Kozlowski, P. Kowalczyk, P. Dabrowski, W. Olejniczak, Surf.
Sci. 601 (2007) 1513-1520.
[5] S. Hashimoto, A. Tanaka, A. Murata, T. Sakurada, Surf. Sci.
556 (2004) 22-32.
[6] J.L. Sullivan, S.O. Saied, I. Bertoti, Vacuum 42 (18), (1991)
1203-1208.
33
P5
X-RAY DIFFRACTION STUDIES
OF LIQUID METHYLCYCLOHEXANE C6H11−CH3 STRUCTURE AT 293 K
H. Drozdowski * and K. Nowakowski
Institute of Physics, Adam Mickiewicz University, ul.Umultowska 85, PL 61-614 Poznań, Poland
*) e-mail: riemann@amu.edu.pl
Abstract: The structure of methylcyclohexane C6H11−CH3 at 293 K was investigated using the X-ray diffraction
method. An angular distribution of X-ray radiation scattered in liquid methylcyclohexane was measured. The observable range of scattering angles was 6° ≤ 2Θ ≤ 120°. Monochromatic radiation MoKα enabled determination of the
scattered intensity between Smin = 0.925 Å−1 and Smax = 15.313 Å−1. The electron density radial distribution function
was calculated. Structural parameters, the mean distances between the neighbouring molecules as well as the coordination numbers were found. The structural data obtainable by X-ray analysis for the liquid studied were discussed.
Streszczenie: Obrazy dyfrakcyjne badanych próbek ciekłego metylocykloheksanu C6H11−CH3 otrzymano za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego TUR−M62 z lampą rentgenowską o anodzie molibdenowej. Promieniowanie charakterystyczne lampy monochromatyzowano płaskim kryształem grafitowym. Badane próbki umieszczono
w termostatowanych kuwetach, a pomiary wykonano w temperaturze 20°C ± 0.1°C. Funkcje rozkładu natężenia rozproszonego promieniowania rentgenowskiego zostały wyznaczone w zakresie kątowym od 3° do 60°. Niskokątową
część tych funkcji ekstrapolowano do początku układu współrzędnych, co zaznaczono na rysunku linią przerywaną.
W celu przeprowadzenia ilościowej analizy struktury metylocykloheksanu, wyznaczono funkcję rozkładu radialnego gęstości elektronowej, na podstawie zmodyfikowanego równania Warrena-Kruttera-Morningstara. Obliczono
średnie parametry strukturalne: odległości wewnątrz- i międzymolekularne, liczby koordynacyjne oraz współczynnik upakowania molekuł. Metylocykloheksan nie był dotychczas badany metodami dyfrakcyjnymi w fazie ciekłej.
1. Introduction
X-ray diffraction study of liquids is based on the Fourier
analysis of reduced intensity i(S) function. This function
is defined [1] as:
Θm = 6°0’ (ΔΘm = 2.2’). The X-ray diffraction patterns
were recorded on a typical X-ray diffractometer equipped
with a special cell for measurements of liquids, described
by North and Wagner [2]. In each case, the experimental
function of angular distribution of the scattered X-ray intensity was corrected to include the polarization and absorption factors [3], and then normalized [4]. Absorption in
the cuvette windows was neglected. Small-angle scattering
results (0°< Θ <3°) were extrapolated to the origin of the
coordinate system using second-order functions.
where Ieu(S)/N is the experimentally observed total coherent intensity of scattered radiation per one structural unit,
denotes the theoretical independent scattering on atoms of
one structural unit,
written in the form:
is a sharpening factor, often
or
3. Results and discussion
The normalized angular-distribution function I(S) (where
S = 4πsinΘ/λ) of the studied compound is presented in Fig.
1. The positions of the maxima on this function were found
using the Lagrange polynomials method [5]. In the range of
0.92 Å−1 < S < 2.60 Å−1 the peak positions were determined
with accuracy of ΔS = ± 0.01 Å−1. In the range of 2.60 Å−1
< S < 4.50 Å−1 the accuracy was ΔS = ± 0.02 Å−1 and in the
remaining range was ΔS = ± 0.03 Å−1.
The most probable intermolecular distances were found
from the positions of the maxima of the electron density radial distribution function (EDRDF) (Fig. 2). The first four
maxima were ascribed to the interferences within the methylcyclohexane molecule.
The most probable simple configurations of neighbouring molecules in the liquid in question can be examined
by fitting the positions of the maxima of the EDRDF to
the distances between the centres of neighbours, result-
In order to deter-
mine i(S) from the experimental data, I(S)/N and
must be given in the same units.
2. Experimental
The structure of liquid methylcyclohexane C6H11−CH3
was studied by diffraction of strictly monochromatic Xray diffraction. For each of these samples, a cuvette with
0.01 mm thick windows of styroflex foil containing a 3
mm thick layer of the studied sample was installed on a
X-ray goniometer. The measurements of scattered radiation intensity were performed in a wide range of wave vector (Smin = 0.925 Å−1 to Smax = 15.313 Å−1), with the use of
X-ray radiation MoKα (λ = 0.71069 Å). The radiation was
monochromatized by reflection from the (002) planes
of flat graphite with the angle of monochromatization of
34
ing from their van der Waals models. Such models can be
constructed on the basis of the bond lengths within the
molecule and of the van der Waals radii of C and H atoms. The size of a methylcyclohexane molecule is 7.9 Å
(length) × 7.3 Å (width) × 3.5 Å (height).
4. Conclusions
The methods employed allowed a determination of the
mean structural parameters (the inter- and intramolecular
distances) and local ordering of molecules in liquid methylcyclohexane. The appearance of distinct maxima in the angular distribution function of X-ray scattered radiation and
radial distribution function of electron density obtained for
liquid methylcyclohexane indicates the presence of a shortrange ordering in methylcyclohexane up to a distance of
about 20 Å.
The results of this paper permit the following conclusions
concerning X-ray analysis of liquid methylcyclohexane
structure to be drawn:
- in the liquid methylcyclohexane the molecules are arranged with their cyclohexyl rings in parallel,
- the mean distance calculated for two molecules of methylcyclohexane in the antiparallel arrangement between the carbon atoms of the functional groups (CH3)1…(CH3)2 is 8.3 Å.
Figure 1. Intensity distributions of X-radiation scattered by
methylcyclohexane; a) experimental curve, b) theoretical
curve (I = Icoh + Iincoh).
References
[1] H. Drozdowski, Chem. Phys. Lett. 351 (2002) 53.
[2] D.M. North, C.N.I. Wagner, J. Appl. Crystallogr. 2 (1969) 149.
[3] H. Ohno, K. Igarashi, N. Umesaki, K. Furukawa, X-Ray Diffraction Analysis of Ionic Liquids (Trans Tech. Publ., Switzerland-Germany-UK-USA 1994).
[4] N. Norman, Acta Crystallogr. 10 (1957) 370.
[5] A. Renninger, R. Kaplow, Computer Programs for Radial
Distribution Analysis of X-rays (Massachusetts Institute of
Technology Cambridge, MA, 1987).
Figure 2. The values of radial distribution function of
electron density .
35
P6
STRUCTURAL CHARACTERIZATION OF MBE-GROWN ZnTe NANOWIRES
E. Dynowska 1*, W. Szuszkiewicz 1, J.Z. Domagała 1, E. Janik 1, T. Wojtowicz 1, and W. Caliebe 2
1 Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
2 Hasylab at DESY, Notkestr. 85, D-22603 Hamburg, Germany
Keywords: nanowires, ZnTe, MBE technology, x-ray diffraction, synchrotron radiation
*) e-mail: dynow@ifpan.edu.pl
Recently, it has been demonstrated that it is possible to
grow ZnTe nanowires by a pulsed electrochemical deposition [1], by a vapour phase transport method [2], or by a
molecular beam epitaxy (MBE) [3].
The aim of the present paper was to investigate an influence of the substrate orientation on the properties of MBEgrown ZnTe nanowires. Such nanowires were grown on GaAs
substrates of three different orientations: (100), (111)B, and
(110), with gold as a growth catalyst. The scanning electron
microscopy (SEM) and high resolution electron microscopy
(HRTEM) images showed that the nanowires have a mean
diameter of about 30-70 nm, the lengths of 1-2 µm and they
grow in four equivalent <111> crystallographic directions.
Moreover, it was noticed that the nanowires were inclined to
the substrate surface, respectively [3].
The x-ray structural characterization of the nanowires
was performed using synchrotron radiation at the W1.1
beamline at DESY-Hasylab. The monochromatic x-ray
beam of wavelength λ = 1.54056 Å was used. Two modes
of measurement were applied: symmetrical ω-2Θ scan and
coplanar 2Θ scan in the glancing incidence geometry. The
first mode of measurement allows to detect the lattice plane
parallel to the crystallographic orientation of the substrate
whereas the second one is the special technique used to examine very thin, polycrystalline layers.
Analysis of symmetrical ω-2Θ scans shows that crystallographic orientation of the substrate imposes the orientation of the nanowires: an example in the case of (001)
oriented GaAs substrate the relatively strong reflections
002, 004 and 006 of ZnTe are the same as the reflections
of the substrate (Fig. 1). This means that the (001) lattice
planes in nanowires are parallel to the (001) lattice planes
of the substrate. If so, the nanowires growing along <111>
crystallographic directions have to form an angle of 35.3°
with the (001) lattice planes of the substrate (according to
the interplanar angles in cubic crystals).
The studies of nanowires grown on (110)- and (111)-oriented GaAs leads to similar conclusions: in the first case
the nanowires form an angle of 54.7° with the (110) lattice
planes of the substrate, while the nanowires grown on (111)
oriented substrate are perpendicular to the (111) lattice
Figure 1. The ω-2Θ scan of ZnTe nanowires grown on
(001) oriented GaAs substrate.
planes of the substrate.
The diffraction patterns in glancing incidence geometry showed that between nanowires there is a very thin
polycrystalline layer of ZnTe deposited directly on GaAs
substrate.
European Community - Research Infrastructure Action under
the FP6 „Structuring the European Research Area” Programme
(through the Integrated Infrastructure Initiative „Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science”, Contract
RII3-CT-2004-506008) and by the Ministry of Science and Higher Education (Poland) through Grant No. N507 030 31/0735.
References
[1] L. Li, Y. Yang, X. Huang, G. Li, L. Zheng, J. Phys. Chem. B
109 (2005) 12394.
[2] H.B. Huo, L. Dai, D.Y. Xia, G.Z. Ran, L.P. You, B.R. Zhang,
G.G. Qin, J. Nanosci. Nanotechnol. 6 (2006) 1182.
[3] E. Janik, J. Sadowski, P. Dłuzewski, S. Kret, L.T. Baczewski,
A. Petroutchik, E. Łusakowska, J. Wróbel, W. Zaleszczyk,
G. Karczewski, T. Wojtowicz, A. Presz, Appl. Phys. Lett. 89
(2006) 133114.
36
P7
HIGH-PRESSURE PHASE TRANSITIONS IN Cd1-xMnxTe MIXED CRYSTALS
E. Dynowska 1*, W. Szuszkiewicz 1, A. Szczepańska 1, P. Romanowski 1, and Ch. Lathe 2
1 Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
2 Hasylab at DESY, Notkestr. 85, D-22603 Hamburg, Germany
Keywords: phase transitions, high pressure, x-ray diffraction, synchrotron radiation
*) e-mail: dynow@ifpan.edu.pl
The aim of this work was the study of the high-pressure
behaviour of a solid solutions of Mn in the CdTe matrix. In
the case of CdTe, the structural studies performed under
high pressure up to 55 GPa showed the sequence of four
phase transitions under pressures ~2.5 GPa, ~3.5 GPa, ~10
GPa, and ~42 GPa, respectively [1]. In this work we were
able to perform the measurements in the pressure range
from ambient up to about 6.2 GPa only. As it is known
from earlier studies [1], two phase transitions occur in the
case of CdTe in this pressure range: from zincblende to
cinnabar-type (~2.5 GPa) and from cinnabar to NaCl-type
structure (~3.5 GPa). It was interesting to check how will
change these pressure-induced transitions when part of Cd
ions will be substituted by Mn ions.
The experiments were performed in Hasylab using the
energy-dispersive x-ray diffraction (EDXRD) equipment
connected with the classical multi-anvil press MAX80, installed at the F2.1 synchrotron beamline. Three Cd1-xMn xTe
samples for x = 0, 0.14, and 0.38 were examined. All measurements were performed at room temperature at numerous
(about 25) different pressures for each sample.
The results of our experiments show that behaviour of
Cd1-xMn xTe ternary compounds under pressure is similar
to that observed for CdTe matrix. Nevertheless, small differences were also detected. The first one deals with the
pressure value at which the transition to the NaCl-type
structure starts – this pressure decreases with increasing
Mn content in the sample (Fig. 1). The lattice parameter of
NaCl-type structure on Cd1-xMn xTe at pressure of ~5.7 GPa
also decreases with the sample composition (Fig. 2).
The second difference is connected with the intermediate phase (cinnabar-type) preceding the transition to the
NaCl-type. We also observe this phase in the case of CdTe
– in the Cd1-xMn xTe samples the transition zincblende–NaCl
occurs directly without any intermediate phase when increasing pressure.
Figure 1. The dependence of transition pressure pt on
Cd1-xMnxTe composition.
Figure 2. The dependence of the lattice parameter of
NaCl-type structure on Cd1-xMnxTe composition at pressure of ~5.7 GPa.
RII3-CT-2004-506008.
Acknowledgments: This work was partially supported by the
European Community - Research Infrastructure Action under
the FP6 „Structuring the European Research Area” Programme
through the Integrated Infrastructure Initiative „Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science”, Contract
References
[1] A. Mujica, A. Rubio, A. Munoz, R.J. Needs, Rev. Mod. Phys.
75 (2003) 863.
37
P8
X-RAY HIGH-RESOLUTION DIFFRACTION STUDY
OF GaInAs GROWN BY A MODIFIED CZOCHRALSKI METHOD
G. Kowalski 1, J. Gronkowski 1*, and A. Hruban 2
1
Institute of Experimental Physics, University of Warsaw, ul. Hoża 69, PL 00-681 Warsaw, Poland
2
Institute of Electronic Materials Technology, ul. Wólczyńska 133, PL 01-919 Warsaw, Poland
*) e-mail: Jerzy.Gronkowski@fuw.edu.pl
Laser diodes, solar cells, photodetector structures and
other optoelectronic applications of InGaAs ternary bulk
crystals and layers stimulate constant interest in the improvement of growth methods for this material. Growth of
bulk ternary crystals based on AIIIBV compounds is a difficult task due to the thermodynamical properties of their
solutions. An improvement of the homogeneity of the bulk
samples may be achieved by controlling their growth via
supersaturation of the liquid solution while maintaining a
constant temperature. Most of the growth techniques aiming to obtain ternary crystals are focused on layer growing
on the relevant substrates although recently the use of the
rotational Bridgman method [1], Liquid Phase Electroepitaxy [2] and zone growth [3, 4] were reported.
We report new results on Liquid Encapsulated Czochralski grown crystals with constant liquid composition.
In our X-ray investigations we used high-resolution diffractometry (rocking curves and reciprocal space maps) as well
as X-ray topography in the classical Lang setup. Growth
history of the bulk ingots is revealed and investigated.
Acknowledgements: This work was supported by the Polish
Ministry of Science and Higher Education (grant No. 3T11B
039 26).
References
[1] Y. Hayakawa, T. Ozawa, T. Araki, M. Haris, M. Kumagawa, J.
Cryst. Growth 275 (2005) e421–e425.
[2] H. Sheibani, S. Dost, S. Sakai, B. Lent, J. Cryst. Growth 258
(2003) 283–295.
[3] Y. Nishijima, K. Nakajima, K. Otsubo, H. Ishikawa, J. Cryst.
Growth 208 (2000) 171–178.
[4] Y. Nishijima, O. Akasaka, K. Nakajima, K. Otsubo, H.
Ishikawa, Proc. of International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IEEE, Piscataway, NJ, USA,
2001) 125–128.
38
XAS STUDY OF Mg BASED PHASES IN ILMENITES
P9
M.T. Klepka 1*, K. Lawniczak-Jablonska 1, I.N. Demchenko 1, R. Minikayev 1,
M. Jabłoński 2, V. Kontozova 3, and A. Przepiera 2
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
2
Szczecin University of Technology, Institute of Chemistry and Environmental Protection,
Al. Piastow 42, 71-065 Szczecin, Poland
3
University of Antwerp, Department of Chemistry (UIA), Universiteitsplein 1, B–2610 Antwerp, Belgium
1
Keywords: ilmenite, XANES, XRD, SPEPMA, XANDA
*) e-mail: mklepka@ifpan.edu.pl
were evaluated by applying the principal components
analysis of X-ray absorption K-spectra of Mg (XANDA
code was used). Knowing that the shape of XANES spectra is a fingerprint of chemical state of elements we consider that the XAS is a good tool for estimation the real
Mg based phases content in ilmenites.
The spectra were measured at BESSY beamline
UE52PGM. Mg was identified in three chemical compounds MgTiO3, MgSiO3 and Mg(OH)2. The content of the
particular phases depends on the location where the minerals have been collected. These findings were the starting
point in Rietveld analysis of diffraction data and they were
compared with the results from SPEPMA cluster analysis.
Ilmenites are significant minerals used as a source
for TiO2 (white pigment) production. Ilmenites originating from Norway, India, China and Australia are regularly being used in industrial technological processes. The
manufacture process is based on sulphate method, where
reaction of titanium raw material with sulphuric acid is
the first step [1,2]. This method requires the knowledge
about elemental and phase composition for adjusting the
efficiency and the safety of kinetics of the reaction. The
minerals have complicated morphology and the standard
procedure in industrial chemical analysis provides the element content in a form of common oxides. This is far away
from real phases content and ionic state of elements. The
standard powder diffraction leads to the large uncertainty
due to presence of many diffraction pattern peaks as well
as similarity of phases, which are formed due to substitution of minority elements into the majority phase lattice.
The main phases which involved Ti and Fe are known
but content and chemical states of other elements is also
important because of their impact on quality of the final
product [3-5]. In the presented work Mg based phases were
studied in minerals listed above. To describe these minerals we have applied X-ray absorption spectroscopy (XAS),
X-ray diffraction (XRD) and single particle electron probe
microanalysis (SPEPMA). From the performed SPEPMA
and XRD measurements it results that content of Mg phases is at the level of few percent. The Mg chemical states
Acknowledgements: This work was partially supported by European Community under Contract RII3-CT-2004-506008 (IASFS).
References
[1] T. Chernet, Miner. Eng. 12 (1999) 485-495.
[2] R.G. Teller et al., J. Solid State Chem. 88 (1990) 351-367.
[3] M. Klepka et al., J. Alloys Compds. 401 (2005) 281-288.
[4] M. Klepka, K. Lawniczak-Jablonska, M. Jablonski, M. Walczak, H. Rossner, Bessy Annual Report (2005).
[5] M. Klepka, K. Lawniczak-Jablonska, M.S. Walczak, M. Jablonski, Hasylab Annual Report (2005).
39
P10
STRUCTURAL STUDY OF THE BICELLAR PHASE
MADE OF DMPC AND CATIONIC SURFACTANT
M. Kozak *
Department of Macromolecular Physics, A. Mickiewicz University, ul. Umultowska 85, 61-614 Poznan, Poland
Keywords: bicelles, SAXS, phospholipids, DMPC, synchrotron radiation
*) e-mail: mkozak@amu.edu.pl
Bicelles are the intermediate structural phase between
micelles and lamellar structures, forming in the process of
self-organisation of phospholipids. They are mainly formed
in mixtures of phospholipids of short and long hydrophobic
chains in water solutions, however, they are also able to
form in mixtures of phospholipids with some surfactants.
Bicelles assume the shape of a disc, whose internal is made
of the phospholipid with long hydrophobic chains, while
the external part of the bilayer is made of the phospholipids
of short hydrophobic chains (or sometimes surfactants) [1,
2].
The aim of the study was to analyse the effect of the
cationic surfactant from the group of (alkyloxymethyl)do
decyloxydimethylamonium chlorides on the structure of
DMPC (1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) by
the small angle synchrotron scattering (SAXS) method. The
SAXS measurements were made on the X33 line (EMBL c/
o DESY, Hamburg, Germany) [3] using the Mar-345 image
plate as a detector. The sample-detector distance was 2.4 m,
which corresponds to the scattering vector 0.1 < s < 5 nm-1
(where s = 4� sinΘ/λ, λ = 0.15 nm). The measurements were
made at temperatures from 4 to 70°C. The results were analysed by the programs PRIMUS [4] and GNOM [5].
The experimental SAXS curves recorded illustrate the
disappearance of the typical lamellar phase of DMPC. The
pair distance distribution function p(r) (Figure 1) was determined on the basis of the SAXS results. It can be concluded
that even very low concentrations of the surfactant initiate a
transition of DMPC from the lamellar phase typical of pure
DMPC to the bicellar phase. The bicellar phase is formed of
bicelles with sizes ranging from about 20 to 45 nm, depending on the concentration of the surfactant.
Figure 1. The distance distribution function p(r) calculated
for DMPC/BzMDDACl 0.5%.
Synchrotron and Free Electron Laser Science to the EMBL Hamburg Outstation, contract number: RII3-CT-2004-506008.
References
[1] N.E. Gabriel, M.F. Roberts, „Spontaneous formation of stable
unilamellar vesicles”, Biochemistry 23 (1984) 4011-4015.
[2] S. Cavagnero, H.J. Dyson and P.E. Wright, „Improved low pH
bicelle system for orienting macromolecules over a wide temperature range”, J. Biomolec. NMR 13 (1999) 387-391.
[3] M.H.J. Koch, J. Bordas, „X-ray diffraction and scattering on
disordered systems using synchrotron radiation”, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. 208 (1983) 461-469.
[4] P.V. Konarev, V.V. Volkov, A.V. Sokolova, M.H.J. Koch, D.I.
Svergun, „PRIMUS: A Windows PC-based system for smallangle scattering data analysis”, J. Appl. Crystallogr. 36 (2003)
1277-1282.
[5] A.V. Semenyuk, D.I. Svergun, „GNOM - a program package
for small-angle scattering data processing”, J. Appl. Crystallogr. 24 (1991) 537-540.
Acknowledgements: The work was supported by the Ministry of
Education and Science (grant No. 3T09A 05027). The data collection at DESY Hamburg was supported by Integrating Activity on
40
P11
HIGH TEMPERATURE ANNEALING MODIFICATION OF THE LOCAL
ATOMIC STRUCTURE AROUND Mn ATOMS IN (Ga,Mn)As LAYERS
I.N. Demchenko 1, K. Lawniczak-Jablonska 1*, T. Story 1, V. Osinniy 1, R. Jakiela 1,
J.Z. Domagala 1, J. Sadowski 1, M. Klepka 1, A. Wolska 1, and M. Chernyshova 2
Institute of Physics PAS, al. Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion, 23 Hery Str., 01-497 Warsaw, Poland
1
2
Keywords: spintronics, EXAFS, GaMnAs, cluster
*) e-mail: jablo@ifpan.edu.pl
The field of research called spintronics implies the fabrication of the suitable materials with appropriate magnetic
properties at room temperature. Ga1-xMn xAs layers exhibit
paramagnetic to ferromagnetic phase transition for Mn
content higher than 0.5%. On the other hand, the MnAs
clusters with sizable dimensions can be produced from a
single-phase GaMnAs material by the high-temperature
post-growth annealing yielding multiphase materials.
Since MnAs is a metallic ferromagnet with TC of about 318
K, the GaAs:MnAs granular system constitutes an interesting material with small ferromagnetic nanoparticles immersed in the semiconductor host lattice providing built-in
magnetic field at room temperature. This field would affect
semiconductor band structure leading to differentiation of
semiconductor spin states. Therefore the attractive method
to control the spin polarization is to grow material with the
two phases distributed homogeneously, magnetic and semiconducting at the same time.
Changes of the local structure around Mn atoms in
(Ga,Mn)As layers after high temperature annealing were
determined by an X-ray absorption spectroscopy and high
resolution X-Ray diffraction (HRXRD), and were compared with their magnetic properties. After considering the
several models of Mn local atomic structure (Fig. 1), the
analysis of EXAFS spectra gives unambiguously evidence
of transition of the local structure around Mn atom from
cubic to hexagonal. The performed HRXRD investigation
indicated on the relaxation of GaAs matrix during annealing, from highly to slightly comprehensively strained and
finally, after formation of hexagonal MnAs inclusions, to
slightly tensile strained. The sample with hexagonal MnAs
inclusions exhibits ferromagnetic properties up to room
temperature with almost all Mn atoms being in ferromagnetic phase and with the Curie temperature about 300 K. It
was reported from TEM studies [1] performed for the same
sample that the formed hexagonal inclusions of MnAs had
spherical shape with diameter around 20 nm. Most of the
MnAs clusters were coherent with GaAs matrix. Therefore, the annealing to 600ºC is a suitable method to form,
in semiconductor GaAs matrix, the MnAs hexagonal small
Figure 1. The results of the calculation of the model local atomic structure for Mn in the position of Ga atoms
(Mn_Ga), Mn shifted by 0.01 nm (Mn_Ga_shift), Mn in
interstitial position with As (Mn_i_As) and Ga (Mn_i_Ga)
neighbors, and hexagonal MnAs.
inclusions with the ferromagnetic properties at room temperature.
Acknowledgements: This work was partially supported by national grant of Ministry of Science and High Education N202052-32/1189 and by DESY and the European Community under
Contract RII3-CT-2004-506008 (IA-SFS).
References
[1] A. Kwiatkowski, J. Borysiuk, R. Bożek, D. Wasik, M.
Kamińska, J. Sadowski, A. Twardowski, Acta Phys. Polon. A
110 (2006) 233.
41
P12
LOCAL IRON NEIGHBOURHOOD IN COMPOUNDS USED
IN CANCER THERAPY: EXAFS STUDIES
M. S. Walczak 1*, K. Lawniczak-Jablonska 1, A. Sienkiewicz 1,
M. Czuba 2, M. Klepka 1, and A. Graczyk 2
Institute of Physics PAS, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
Institute of Optoelectronics, MUT, ul. Stefana Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland
1
2
Keywords: PDT, cancer, EXAFS, ESR
*) e-mail: mwalczak@ifpan.edu.pl
Photodynamic diagnosis (PDD) and photodynamic therapy (PDT) are relatively novel medical modalities, which
are increasingly being applied for the sensitive detection
and treatment of malignant tissues. These methods combine the preferential accumulation of the photosensitizer in
the target tissue with precise illumination, to provide the
selectivity for cancer detection and treatment [1, 2]. In PDT,
light of an appropriate wavelength, adjusted to the chromophore absorption bands, penetrates the tissue and causes
excitation of the photosensitizer. The excited photosensitizer reacts or transfers its energy to other molecules, thus
generating cytotoxic species. It is widely accepted that the
electronically excited form of molecular di-oxygen, singlet
oxygen (1Δg), is a primary intermediate that is generated in
the photodynamic treatment. 1Δg is a highly reactive oxidizing agent that plays a significant role in a range of chemical and biological processes. Like other reactive oxygen
species (ROS), singlet oxygen constitutes part of the extra/
intracellular milieus of ROS that arise from cellular processes or are generated extracellularly. In the cellular milieu, high levels of 1Δg may give rise to a chain of chemical
reactions, which ultimately lead to cell death. Although it
is generally agreed that 1Δg is the major initiator of the photodynamic treatment, it is important to note that the role of
other reactive oxygen species in PDT cannot be discounted
[3]. It is well known that the iron-free derivative of heme
(protoporphyrin IX) is a potent photosensitizing agent that
acts via the formation of singlet oxygen [3]. The novel class
of compounds (PP(IX)(aminoacid)s) based on protoporphyrin IX has recently been synthesized at the Laboratory
of Biochemistry and Spectroscopy, Military University of
Technology in Warsaw, Poland. Right now, these materials
undergo intensive clinical tests as potential photosensitizing candidates for PDT [4-7]. Unfortunately the investigation of absorption iron edge as well as preliminary electron
spin resonance (ESR) study revealed the presence of highspin, trivalent iron atoms (FeIII, S=5/2) in these nominally
iron-free compounds. It has to be stressed, however, that
the technological processes of purification of the photosensitzer’s substrates to the standard purity (a concentration
of over 98%) are rather complicated and expensive. Therefore, current investigations of the photosensitizing properties of PP(IX)(aminoacid)s on cellular lines, experimental
animals and, most importantly, the clinical trials are based
on mid-purity samples (of about 65%). Thus, the exact content and chemical structures of subsequent technological
fractions and the final formula of the photosensitizers are
now the subject of intensive studies [8, 9]. We used EXAFS
method to get a better insight into the local environment
of iron atoms in one of PP(IX)(aminoacid)s. The analysis
of EXAFS spectra of Fe-K absorption edge using Excurve
packet revealed the bromine atom as one of the first neighbors. The comparison of the shift of Fe-K absorption edge
for PP(IX)(aminoacid) and the material of reference, Fe2O3,
confirmed the presence of the trivalent iron centers inside
this novel photosensitizer. Consequence of precise determination of the place of bonding of the heavy atoms will be
the elaboration of the most efficient and no expensive purification procedure and allowance to concentrate on most
effective technology of production.
Acknowledgements: This work was partially supported by grant
N202 053 32/1197 We acknowledge the European Synchrotron
Radiation Facility for making the EXAFS measurements possible. We also would like to thank Sergey Nikitenko for his frequent assistance while using beamline BM26A.
References
[1] J. Miller, J. Chem. Educ. 76 (1999) 592.
[2] D.E. Dolmans, D. Fukumura, R.K. Jain, Nat. Rev. Cancer 3
(2003) 380.
[3] M.C. DeRosa, R.J. Crutchley, Coord. Chem. Rev. 233/234
(2002) 351.
[4] S. Ye, M. Czuba, A. Romiszewska, J. Karolczak, A. Graczyk,
Opt. Appl. 33 (2003) 489.
[5] S. Ye, M. Kwasny, M. Czuba, A. Graczyk, Opt. Appl. 33
(2003) 505.
[6] A. Graczyk, J. Konarski, US Patent Specification No.
005451599A (1995); A. Graczyk, J. Konarski, European Patent Specification No. 0539960A2/97 (1997).
[7] J. Konarski, PL Patent Specification No. 148775 (1990) (in
Polish).
[8] B. Vileno, A. Sienkiewicz, M. Lekka, A.J. Kulik, L. Forro,
Carbon 42 (2004) 1195.
[9] M.S. Walczak, K. Lawniczak-Jablonska, A. Sienkiewicz, M.
Czuba, M. Klepka, A. Graczyk, J. Phys.: Condens. Matter
(2007), accepted.
42
PRZYDATNOŚĆ RENTGENOWSKIEJ DYFRAKCJI PROSZKOWEJ
W BADANIACH SKŁADNIKÓW KOMPOZYTÓW CEMENTOWYCH
PODDANYCH DZIAŁANIU PROMIENIOWANIA GAMMA
P13
A. Łowińska-Kluge 1* i P. Piszora 2
Instytut Konstrukcji Budowlanych, Politechnika Poznańska, Piotrowo 5, 60965 Poznań
Zakład Chemii Materiałów, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Grunwaldzka 6, 60780 Poznań
1
2
Słowa kluczowe: odpady radioaktywne, kompozyty cementowe, dodatki mineralne
*) e-mail: Lowinska-Kluge@wp.pl
określone fazy krystaliczne. Dodatek ten w środowiskach
kwaśnych żeluje. W miarę obniżania pH środowisk, w jakich się znajduje, powoli uaktywnia się i przechodzi w postać jonową. Dzięki modyfikacji nim matrycy cementowej
uzyskuje się znaczne podwyższenie chemoodporności na
działanie środowisk agresywnych wywołujących zarówno
korozję rozpuszczającą jak i pęczniejącą [2-4].
Działaniu promieniowania gamma poddano granulat
aktywowany GA, jak również dodatki - pył krzemionkowy
(PK) i popiół lotny (Pl).
Do badań tych wykorzystano pole promieniowania γ
60
Co w komorze radiacyjnej o ogólnej aktywności 1036
TBq i mocy dawki ok. 38 - 40 kGy/h. Badania zachodzących zmian dokonywano w odstępach czasowych przez
łączny okres 10 lat. Uzyskane próbki po różnych dawkach
promieniowania γ poddano badaniom mikroskopowym
i dyfrakcyjnym.
Łączne stosowanie kilku metod badawczych daje możliwość pełnej oceny charakteru zjawisk zachodzących pod
wpływem promieniowania gamma. Pomiary z zastosowaniem promieniowania synchrotronowego pozwolą precyzyjniej określić kierunek zmian strukturalnych decydujących o trwałości zabezpieczeń przed promieniowaniem
radioaktywnym.
Bezpieczne składowanie odpadów promieniotwórczych
ma istotne znaczenie dla życia i zdrowia na Ziemi. Cement
jest materiałem odgrywającym ważną rolę w procesie składowania odpadów radioaktywnych. Ponadto jest powszechnie stosowany do uszczelniania odwiertów, szybów i tuneli
we wszystkich składowiskach odpadów rozmieszczonych
w masywach skalnych. Służy on do wyrobu pojemników
i osłon na składowiskach, spełnia również rolę materiału
matrycowego, pozwalającego na równomierne rozproszenie
składników radioaktywnych.
Skład fazowy i struktura matrycy ma decydujący
wpływ na szybkość procesów destrukcyjnych w betonie
narażonym na działanie promieniowania.
Zmiana składu fazowego zaczynu poprzez jego modyfikację mineralnymi dodatkami prowadzi do obniżenia zawartości faz krystalicznych (C-H), zwiększenia m.in. ilości
żelowych faz C-S-H oraz spadku udziału dużych porów
kapilarnych. Składniki żelowe wydłużają drogę dyfuzji
i znacznie utrudniają penetrację agresywnych substancji
chemicznych, co jest najczęściej realizowane poprzez użycie
popiołu lotnego i pyłu krzemionkowego [1].
Promieniowanie jonizujące, działając na materię, powoduje powstawanie nietrwałych produktów radiolizy takich jak: jony, cząsteczki wzbudzone, wolne rodniki, które
są zdolne do inicjowania różnych procesów radiochemicznych. Zastosowanie odpowiednich dodatków, pozwalałoby
na właściwe zmodyfikowanie matrycy cementowej tak,
aby promieniowanie spowodowało pożądaną przebudowę
struktury.
W pracy przedstawiono rezultaty badań nad uzyskaniem takiego dodatku. Z odpadu przemysłowego otrzymano amorficzny dodatek mineralny o granulacji zbliżonej do
granulacji cementu – granulat aktywowany (GA) [2,3]. Dodatek GA jest przemrożoną cieczą. Na skutek działania wysokiej temperatury traci swą amorficzność, tworząc ściśle
Literatura
[1] J. Janotka, L. Bagel, „Bound Water Content, Permeability and
Residual Compressive Strength of Concrete at High Temperatures” in: Role of Concrete in Nuclear Facilities (Thomas
Telford Publishing, 2005) pp. 51 –58.
[2] A. Łowińska, K. Tomkowiak, J. Wożniczek, Patent 12 6268.
[3] A. Łowińska-Kluge, Patent 166057.
[4] A. Łowińska-Kluge, Concrete Chemistry Conference, Dusseldorf, December 1997.
43
P14
STRUCTURAL STUDY OF POLYETHYLENE/MONTMORILLONITE
SYSTEMS
L. Domka 1 and A. Malicka 1,2
Zakład Chemii Metaloorganicznej Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,
ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań
2
Zakład Fizyki Makromolekularnej, Wydział Fizyki, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,
ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań
1
Keywords: adhesion, fillers modification, lamellar silicates
*) e-mail: domkal@amu.edu.pl, malicka@amu.edu.pl
Powder mineral fillers are added to polymers to modify
the properties of the latter and to reduce the cost of their production. By appropriate proadhesive modification of the polymer-filler interface their interactions can be strengthened
to improve the polymer stability. To achieve this effect the
energy of the polymer adhesion to the filler must be higher
than that of the polymer cohesion. Modification of the fillers
with adhesion promoters from the group of silanes leads to
increased homogeneity and stability of the system. The most
effective modifying compounds are those that are adsorbed
on the surface of the filler molecules and show affinity to the
polymer filled [1-3].
In industrial production of elastomers and plastomers the
mineral and synthetic fillers are commonly used to improve
the physico-mechanical properties of the products. The research has confirmed a substantial effect of modification of
the filler surface on the composites quality.
In the study the modified and unmodified montmorillonite were used as fillers of nanocomposites based on HDPE
Hostalen ACP 5831, LDPE FABS, 23-DO22 polyethylenes.
The composites were produced on a screw extruding press
BTSK 20/40D made by Buhler.
The structures of the fillers and nanocomposites were
characterised by the scanning electron microscopy SEM
and by FTIR study. The effect of the filler modification on
the mechanical parameters of the nanocomposites and their
structure was assessed on the basis of determination of the
mechanical resistance, tensile strength, tearing strength,
elasticity modulus and three-point bending strength. Synchrotronic study of montmorillonite is planned.
Figure 1. SEM image of pure montmorillonite.
References
[1] L. Domka, A. Malicka, A. Kozak, M. Kozak, „Calcium bentonite modification by ion exchange”, Chemistry and biochemistry in the agricultural production, environment protection,
human and animal health, Chem. Agricult. 7 (2006) 34-40.
[2] M. Kozak, L. Domka, A. Malicka, „Synthesis and physicochemical analysis of the lamellar silicates modified with
proadhesive compounds from the group of silanes”, Przemysł
Chemiczny 85/8-9 (2006) 844-846 (in Polish).
[3] W. Nowaczek, S. Spychaj, „Surface chemical modification of
the powder mineral fillers of polymers” Chemik 4 (1992) 91-99
(in Polish).
44
MODIFIED ARAMIDE AS REINFORCEMENT OF ACRYLIC RESIN
P15
Adrianna Malicka 1*, Ludwik Domka 1, Przemysław Gajdus 2, and Wiesław Hędzelek 2
1
Department of Chemistry, Technological Center, A. Mickiewicz University, Poznan, Poland
2
Department of Prosthetic Dentistry, University of Medical Sciences, Poznan, Poland
Keywords: denture base polymer, aramid fibres, reinforcements, strength
*) e-mail: malicka@amu.edu.pl
Introduction: While acrylic resins constitute about 90%
of all polymeric materials used in prosthetic dentistry, they
are not devoid of drawbacks. These include poor resistance
to trauma and abrasion, as well as changes in volume and
shape during fabrication process and use. The search for
more resistant materials and new technologies to produce
removable dentures led to the development of acrylic resins
that have been cross-linked, modified with rubber graft copolymer and also monomer-free materials. A common laboratory method to increase the fracture resistance of acrylic
resin dentures is the inclusion of high-resistance synthetic
fibres in the processing protocol. However, when aramid
fibres were used, the bonding with acrylic resins was insufficiently strong. Earlier study had indicated delamination of
such samples. In this work an attempt was made at developing a new modification to improve the bonding durability
of the fibres to acrylic resin using the epoxy resin.
Objectives: The aim of the work was to evaluate the mechanical properties of acrylic resin reinforced with modi-
fied aramid fibres.
Methods: In the study aramid fibres Kevlar (DuPont) as
well as acrylic resin ProBase (Ivoclar) have been used. The
surface of aramid fibres was activated by a treatment with
epoxy resin. Kevlar fibres modified in this way were introduced into acrylic resin. The controls were unreinforced
samples. The specimens were stored in water at room temperature for four weeks prior to the test. The three point
loading tests were carried out on a universal testing machine Hounsfield. Impact testing was carried out with a
Charpy-type impact tester. Cross-sections of the samples
taken were submitted to observation under an electron microscope SEM. The composites were characterised by the
XRD methods. SEM and XRD images were used to confirm the adherence between the aramid fibre and the acrylic
resin.
Results: The results were submitted to statistical analysis
and presented graphically by means of diagrams and tables.
Further studies using synchrotron radiation are planned.
45
P16
CONVENTIONAL AND SYNCHROTRON X-RAY TOPOGRAPHY
OF DEFECTS IN THE CORE REGION OF SrLaGaO4
A. Malinowska 1,2*, M. Lefeld-Sosnowska 3, K. Wieteska 4 ,
W. Wierzchowski 2, A. Pajączkowska 2, and W. Graeff 5
1
Faculty of Physics, Warsaw University of Technology, ul. Koszykowa 75, PL 00-662 Warsaw, Poland
2
Institute of Electronic Materials Technology, ul. Wólczyńska 133, PL 01-919 Warsaw, Poland
3
4
Institute of Atomic Energy, PL 05-400 Otwock-Świerk, Poland
5
HASYLAB at DESY, Notkestr.85, D 22603 Hamburg, Germany
Keywords: SrLaGaO4, x-ray diffraction, x-ray topography, synchrotron radiation, crystal lattice defects
*) e-mail: malinows@if.pw.edu.pl
Oxide materials of general composition ABCO4 (where
A = Ca, Sr, Ba, B = La, Nd, Pr and C = Al, Ga) with tetragonal perovskite type structure are perspective substrate materials for HTSc thin films, elements of thermal radiation
receivers and other electronic devices due to their electrochemical and thermal properties and good lattice matching
as well [1].
In the present paper, the SrLaGaO4 (SLG) single crystal
grown by the Czochralski method (in N2 atmosphere with
0.7% at. O2) in the [001] direction was investigated. The
sample was cut out perpendicular to the growth axis from
near seed part of the crystal.
The investigations were performed by x-ray topography
exploring both conventional and synchrotron sources of
X-rays. The conventional projection x-ray topographs were
taken in the reflections from different crystallographic
planes in transmission and back reflection geometry using MoKα1 radiation. The synchrotron white beam radiation experiments were realised at stations F1 at HASYLAB
(DESY, Hamburg) in back reflection geometry for several
azimuths. Single exposure provides a large number of topographs corresponding to different Laue spots on the film.
In all reproduced topographs dark tones correspond to high
x-ray intensity.
X-ray topographic images of all investigated earlier
crystals [2, 3] revealed two regions: the central part (core),
which was more perfect and very well separated from outer
part of the crystal. In the outer parts of the crystals we observed a lot of linear black diffraction contrasts and volume
defects contrasts of irregular shapes, probably associated
with the facetted growth. The images of the core region
contained linear diffraction contrasts arranged in {100}
and {110} directions [2, 3].
The crystal core of the investigated in this work sample
exhibits also regular network of defects arranged in rows
but only in {100} directions. The diffraction contrasts of
these defects are seen as white (in transmission topograph)
and black (in back reflection topographs) lines (Figs. 1).
Additionally, one can recognise some diffraction contrasts
as consisting of separated dots (Fig. 1b). The points of inter-
Figure 1. Transmission conventional topograph of the core
region of SLG crystal (left), white beam back reflection
projection topograph of the same sample (right).
section of the individual defects with the crystal surface “dots” arranged in lines - are seen in the optical microscope
pictures. Some interesting observation is that between the
core and outer region one can see a quite wide band of very
good structure quality (Fig. 1b).
We can suppose that linear defects in the core represent
walls of elongated rod-like volume defects lying in {100}
lattice planes. The defects contain essentially the same
phase crystallising at a moment different than the rest of
crystal. The defects may be formed by dendritic crystallisation or solute trails.
Acknowledgements: The technical assistance of J. Bondziul is
much appreciated. This work was partly financed by Ministry
of Science and Higher Education, project No. N202 011 32/0609
(2007-2008).
References
[1] A. Pajączkowska, A. Gloubokov, Prog. Cryst. Growth Charact. 36 (1998) 123.
[2] K. Wieteska, W. Wierzchowski, W. Graeff, M. Lefeld-Sosnowska, A. Pajączkowska, E. Wierzbicka, A. Malinowska, J.
Alloys Compd. 401 (2005) 75.
[3] A. Malinowska, M. Lefeld-Sosnowska, A. Zajączkowska, A.
Kłos, J. Cryst. Growth 290 (2006) 149.
46
INFRARED SPECTROSCOPIC IDENTIFICATION
OF CHOSEN DENTAL MATERIALS AND NATURAL TEETH
P17
Wieslaw Hedzelek 1, Roman Wachowiak 2, Agnieszka Marcinkowska 1*, and Ludwik Domka 3
Department of Prosthetic Dentistry, Poznan University of Medical Sciences, Poznan, Poland
Department of Forensic Medicine, Poznan University of Medical Sciences, Poznan, Poland
3
Department of Chemistry, Technological Center, Adam Mickiewicz University, Poznan, Poland
1
2
Keywords: dental materials; infrared spectroscopy; identification; tooth structure; organic and inorganic components
*) e-mail: agamarcink@poczta.onet.pl
Introduction: Dentists use a wide variety of dental materials in the oral rehabilitation. Therefore, the incidental
release of a dental restoration or a spontaneous loss of a
tooth structure fragment during mastication in some cases
requires the lost fragment to be identified to confirm its
origin. Infrared spectroscopy (IR spectroscopy) is used as
a method of choice for the case of solid chemical compound
identification. This is the preferable method because of exact identification of chemical structures, especially of functional groups of organic compounds.
Objectives: Studies using solid phase infrared spectroscopy in the range of 400 to 4000 wavenumbers were conducted in order to quickly identify solid tooth fragments
and differen-tiate them from dental materials used in the
dental practice.
Methods: 23 frequently employed dental materials were
evaluated. The studies were performed on seven groups of
solid substances of organic character filled with inorganic
fillers (composite materials, compomers, glass ionomers,
fissure sealants), acrylic materials and typical inorganic
materials (porcelain, amalgam). Natural chemical structure
of permanent teeth obtained from donors of various ages
provided the reference material. The measurements were
performed in a solid phase using JR Bruker JFS 113 spectrophotometer (Germany).
Results: The infrared vibrations detected in infrared
transmission spectra depended on the chemical structure
of examined compound. Comparable distinctive peaks in
IR spectra of natural teeth and inorganic dental materials
(porcelain) were exhibited. Analogous IR spectra of dental
materials consisting of organic matrix with inorganic fillers
were found. In the case of acrylic materials specific organic
groups were enhanced.
Significance: The prepared database of infrared transmission spectra included the 23 frequently employed dental
materials, facilitating their appropriate identification. Application of infrared spectroscopy allowed for a quick differential identification of typical dental materials produced
from organic compounds for inorganic restorations (porcelain) and of tooth structure-resembling hydroxyapatite and
its contaminate forms with fluoride and carbonate ions.
The chemical composition of materials can be analyzed
quickly and accurately using a synchrotron. Further research will be carried on.
47
P18
THE INFLUENCE OF NON-STEROIDAL ANTIINFLAMMATORY DRUGS
ON THE MEMBRANE STRUCTURE
M. Markiewicz 1,2*, M. Pasenkiewicz-Gierula 2, P. Serda 3, T. Librowski 4,
S. Mogilski 4, H. Marona 5, and S. Hodorowicz 1
Department of Crystal Chemistry and Crystal Physics, Faculty of Chemistry, Jagellonian University,
ul. Ingardena 3, 30-060 Krakow, Poland
2
Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagellonian University,
ul. Gronostajowa 9, 30-387 Krakow, Poland
3
Regional Laboratory, Jagellonian University, ul. Ingardena 3, 30-060 Krakow, Poland
4
Department of Pharmacodynamics, Medical College, Jagellonian University, ul. Medyczna 9, 30-688 Krakow, Poland
5
Department of Chemical Technology of Drugs, Medical College, Jagellonian University,
ul. Medyczna 9, 30-688 Krakow, Poland
1
Keywords: SAXD, WAXD, biological membranes
*) e-mail: markiewi@chemia.uj.edu.pl
Non-steroidal antiinflammatory drugs (NSAID) are one
of the most widely used remedies. However, the widespread
use of NSAID is often associated with many adverse effects
including gastrointestinal complications, such as gastric ulcers, as the most common one. The NSAID mechanism of
action relies on the prostaglandin synthesis suppression.
The lack of prostaglandin’s cytoprotective effect was previously thought to be fully responsible for their gastrointestinal toxicity. Recently, the mechanism of NSAID gastrotoxicity has been linked to direct interactions with the
gastric phospholipids [1]. These interactions may disturb
the gastric mucosa hydrophobicity, which can result in lowered resistance of the gastric mucosa to luminal acid [2].
In this project we checked the influence of three common NSAIDs – aspirin, ketoprofen and piroxicam – with
diverse gastrotoxicity and three newly synthesized xanthone derivatives on the lipid bilayer structure.
The investigated NSAIDs, palmitoyl-oleoyl-phosphatidylcholine (POPC) and cholesterol were mixed and dissolved in chloroform. The solvent was evaporated using
dry nitrogen and the mixtures were dried under a vacuum
pump. After homogenization, the liposomes were measured
at various hydrations using SAXD and WAXD methods at
beamline A2 in HASYLAB at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Hamburg).
Positions of peaks were determined by non-linear leastsquares fitting to the sum of Lorentzians and Gaussians (r2
> 0.98). The diffraction patterns recorded for POPC with
cholesterol and POPC with cholesterol and drugs at POPC:
H2O 1:30 molar ratio are shown in the figure.
The results of the measurements showed about 0.6 nm
diversity in the repeat periods d of the lamellar phase between aspirin and ketoprofen liposomes. This effect may be
connected with the direct stabilizing interactions between
drugs and the hydrophobic part of the membrane.
References
[1] L.M. Lichtenberger, Z. Wang, J.J. Romero et al., Nature Med.
1 (1995) 154.
[2] L.M. Lichtenberger, Biochem. Pharmacol. 61 (2001) 631.
48
X-MCD IN THE Cr-Re BASED DOUBLE PEROVSKITE
AT HIGH PULSED MAGNETIC FIELDS
P19
J.M. Michalik 1,2, M. Sikora 3, Cz. Kapusta 1,*, J.M. De Teresa 2 and O. Mathon 3
Department of Solid State Physics, Faculty of Physics and Applied Computer Sciences,
AGH University of Science and Technology, 30-059 Krakow, Poland
2
Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, Universidad de Zaragoza-CSIC, Facultad de Ciencias,
50009 Zaragoza, Spain
3
European Synchrotron Radiation Facility, BP 220, 38043 Grenoble cedex, France
1
Keywords: dichroism, high magnetic field, double perovskite, orbital moment
*) e-mail: kapusta@uci.agh.edu.pl
Oxide half metals, i.e. materials with only one spin direction present in the Fermi level either parallel or antiparallel to the magnetization direction are being actively studied due to their potential applications in Spin Electronics
[1]. Among them, ferromagnetic double perovskites have
attracted a lot of interest due to their high Curie temperature (TC) and predicted half-metallicity [2, 3]. Re-based
compounds are the most promising among the double perovskite family, exhibiting TC as high as 610 K in the case of
Sr2CrReO6 [4], which is only surpassed by Sr2CrOsO6 with
TC = 720 K [5].
Recently we have performed several experiments using
high pulsed and static magnetic fields measuring the bulk
magnetization of the Re-based double perovskites [6-8].
Magnetism of these materials was primarily explained on
the basis on a spin-only model by the double-exchange-like
interaction between Fe (or Cr) and Re ions via the unoccupied oxygen 2p orbital. However, a large Re orbital moment
of the order of one third of the Re spin moment was revealed
by the X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) in the
A2FeReO6 series (A = Sr, Ca and Ba) [9]. Its presence is due
to a strong spin-orbit coupling in the Re ion being 5d element. It was confirmed that the Re orbital moment contributes significantly to the saturation magnetization of the Re
based double perovskites, which makes the spin-only ionic
model insufficient for a proper description of the magnetic
and transport properties of this kind of compounds [7].
We present the results of the first, to our knowledge,
X-ray Magnetic Circular Dichroism study under high magnetic field (up to 26 T) generated using pulsed technique.
The measurements were performed on Sr2CrReO6 sample
using the set-up installed at the dispersive XAFS beamline,
ID24, at ESRF (see ref. 10 for detailed information on the
installation). The amplitude of the XMCD signal qualitatively follows the temperature dependence of the bulk magnetization. The derived orbital contribution to the magnetic
moment proves the higher than the spin-only-value of the
saturation magnetization to be consistent with the models
including spin-orbit coupling in the Rhenium ion.
Acknowledgements: Financial support by the Spanish Ministry
of Science (project MAT2005-05565-C02-02 and FEDER funding), the Aragon Regional Government and the Polish Ministry
of Science and Higher Education is acknowledged. We also acknowledge the European Synchrotron Radiation Facility for provision of beamtime through the peer reviewed project MI739 and
inhouse research time. Thanks are due to J. Blasco and R. Córdoba for the sample synthesis.
References
[1] M. Bibes, A. Barthelemy, IEEE Transactions on Electron Devices 54 (2007) 1003.
[2] K.-I. Kobayashi, T. Kimura, H. Sawada, K. Terakura, Y.
Tokura, Nature 395 (1998) 677.
[3] D. Serrate, J.M. De Teresa, M.R. Ibarra, J. Phys.: Condens.
Matter 19 (2007) 023201.
[4] H. Kato, T. Okuda, Y. Okimoto, Y. Tomioka, Y. Takenoya, A.
Ohkudo, M. Kawasaki, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 328.
[5] Y. Krockenberger, K. Mogare, M. Reehuis, M. Tovar, M.
Jansen, G. Vaitheeswaran, V. Kanchana, F. Bultmark, A. Delin, F. Wilhelm, A. Rogalev, A. Winkler, A. Alff, Phys. Rev. B
75 (2007) 020404(R).
[6] J.M. Michalik, J.M. De Teresa, C. Ritter, J. Blasco, D. Serrate,
M.R. Ibarra, Cz. Kapusta, J. Freudenberger, N. Kozlova, Europhys. Lett. 78 (2007) 17006.
[7] J.M. De Teresa, J.M. Michalik, J. Blasco, P.A. Algarabel, M.R.
Ibarra, Cz. Kapusta, U. Zeitler, Appl. Phys. Lett. 90 (2007)
252514.
[8] J.M. Michalik, J.M. De Teresa, J. Blasco, P.A. Algarabel, M.R.
Ibarra, Cz. Kapusta, U. Zeitler (submitted to J. Phys.: Condens. Matter).
[9] M. Sikora, Cz. Kapusta, M. Borowiec, C.J. Oates, V. Prochazka, D. Rybicki, D. Zajac, J.M. De Teresa, C. Marquina,
M.R. Ibarra, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 062509.
[10] O. Mathon, P. van der Linden, T. Neisius, M. Sikora, J.M.
Michalik, C. Ponchut, J.M. De Teresa, S. Pascarelli (accepted
in J. Synchr. Rad.).
49
P20
THERMAL EXPANSION OF α AND β SILICON NITRIDES
R. Minikayev 1, W. Paszkowicz 1, P. Piszora 2, M. Knapp 3, and C. Bähtz 4
Institute of Physics, P.A.S., Al. Lotników 32/46, PL-02668 Warsaw, Poland
Adam Mickiewicz University, Faculty of Chemistry, ul. Grunwaldzka 6, PL-60780 Poznań, Poland
3
Darmstadt University of Technology, Institute for Materials Science, Structural Research,
Petersenstr. 23, D-64287 Darmstadt, Germany
4
CELLS-ALBA, Apartado de correos 68, E-08193 Bellaterra, Spain
5
Hamburger Synchrotronstrahlungslabor am Deutsches Elektronen-Synchrotron,
Notkestr. 85, D-22607 Hamburg, Germany
6
Department of Structural Diagnostics, Research Center Dresden-Rossendorf,
Bautzner Landstr. 128, D-01328 Dresden, Germany
1
2
In the temperature range studied, the volume of unit
cells of both Si3N4 phases changes by about 0.7%. The lattice parameters and thermal expansion coefficients of α and
β silicon nitrides will be compared with existing literature
data [10].
Silicon nitride, Si3N4, belongs to the family of group-IV
nitrides exhibiting useful physical properties: low density,
low electrical conductivity, high temperature strength, superior mechanical properties such as thermal shock resistance,
wear resistance, oxidation resistance, fracture toughness,
mechanical fatigue and creep resistance. Silicon nitride is
currently used in niche market applications, for example in
reciprocating engine components and turbochargers, bearings, metal cutting/shaping tools and hot metal handing.
Silicon nitride thin films can be used as interlayer dielectrics
for metal-insulator–semiconductor (MIS) [1,2] and metalnitride-oxide-semiconductor (MNOS) [3] devices, and as
passivation films or diffusion masks [4]. The electrical conductivity can be raised by many orders of magnitude by using suitable additives [5]. Si3N4 can be used for surface protection of electronic devices, enhancement of stability under
radiation exposure and for structural elements in integration
optics [6].
There exist three most known crystallographic structures of silicon nitride designated as α, β and γ phases. αSi3N4 has a trigonal (P31c) structure, β-Si3N4 has a hexagonal (P63/m) structure and γ-phase has a cubic spinel-type
structure.
In the present work, lattice parameters and thermal expansion coefficients of two nitrides are determined in broad
temperature ranges: 10-1073 K for αSi3N4 and 201103 K for
β-Si3N4 phase, completing the earlier work perform ed for
the γ phase [7].
Two commercial (ALDRICH) α and β samples were studied. Phase analysis showed that both samples were Si3N4 mixtures with 92:8 and 9:98 of α:β weight proportions, as it was
established by quantitative Rietveld analysis.
The thermal-expansion investigation was carried out
under low- and high-temperature conditions by X–ray diffraction, at a synchrotron–radiation source. The diffraction
measurements were carried out at a powder diffractometer
[8] at the B2 (Hasylab/DESY) bending–magnet beamline,
using the Debye–Scherrer geometry and suitable temperature heating and cooling stages. An 1D imaging-plate detector was applied for the data collection. The Rietveld-refinement program Fullprof 2.k (v. 2.7) [9] was used for the
structural analysis.
References
[1] Z. Chen, D. Gong, „Physical and electrical properties of a
Si3N4/Si/GaAs metal-insulator-semiconductor structure”, J.
Appl. Phys. 90 (8) (2001) 4205-4210.
[2] F. Stengel, S.N. Mohammad, H. Morkoç, „Analytical investigation of electrical performance of metal-insulator-III-V
semiconductor field-effect transistors”, Solid-State Electron.
39 (11), (1996) 1567-1576.
[3] K.A. Nasyrov, V.A. Gritsenko, A.K. Kim, H.S. Chae, S.D.
Chae, W.I. Ryu, J.H. Sok, J.W. Lee, B.M. Kim, „Charge
transport mechanism in metal-nitride-oxide-silicon structures”, IEEE Electron Device Lett. 23 (6) (2002) 336-338.
[4] C. Juang, J.H. Chang, R.Y. Hwang, „Properties of very low
temperature plasma deposited silicon nitride films”, J. Vac.
Sci. Technol. B 10 (1992) 1221-1223.
[5] Y.H. Kim, T. Sekino, H. Kawaoka, R.J. Sung, T. Kusunose,
T. Nakayama, K. Niihara, „Fabrication of electronic conductive silicon nitride ceramics by convenient powder metallurgical process”, Sci. Eng. Ceramics III Key Eng. Mater.
317-318 (2006) 645-648.
[6] V.I. Belyi, L.L. Vasilyeva, A.S. Ginovker, Silicon Nitride in
Electronics (Elsevier Science, New York 1988).
[7] W. Paszkowicz, R. Minikayev, P. Piszora, M. Knapp, C.
Bähtz, J.M. Recio, M. Marqués, P. Mori-Sánchez, L. Gerward, J.Z. Jiang, „Thermal expansion of spinel-type Si3N4”,
Phys. Rev. B 69 (2004) 52103-1-4.
[8] M. Knapp, C. Baehtz, H. Ehrenberg, H. Fuess, „The synchrotron powder diffractometer at beamline B2 at HASYLAB/DESY: Status and capabilities”, J. Synchrotr. Radiat.
11 (2004) 328-334.
[9] J. Rodríguez-Carvajal, „Recent developments in the program FullProf”, Commission Powd. Diffr. (IUCr) Newslett.
26 (2001) 12-19.
[10] T.F. Retajczyk, A.K. Sinha, „Elastic stiffness and thermal expansion coefficients of various refractory silicides and silicon
nitride films”, Thin Solid Films 70 (2), (1980) 241-247.
50
P21
REVEALING THE IRRADIATION-INDUCED DEFECTS IN CZOCHRALSKI
SILICON BY HIGH TEMPERATURE–PRESSURE TREATMENT
A. Misiuk 1*, J. Bak-Misiuk 2, W. Wierzchowski 3, B. Surma 3, K. Wieteska 4, I. Capan 5,
W. Graeff 6, A. Barcz 1, W. Jung 1, I.V. Antonova 7, and M. Prujszczyk 1
2
Institute of Physics, PAS, Al. Lotnikow 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
3
Institute of Electronic Materials Technology, Wolczynska 133, 01-919 Warsaw, Poland
4
Institute of Atomic Energy, 05-400 Otwock, Sweirk, Poland
5
Materials Physics, Rudjer Boskovic Institute,10000 Zagreb, Croatia
6
HASYLAB at DESY, D-22603 Hamburg, Germany
7
Institute of Semiconductor Physics, RAS, Novosibirsk, Russia
1
Keywords: Czochralski silicon, γ-rays, neutron, irradiation, defect
*) e-mail: misiuk@ite.waw.pl
Irradiation of oxygen-containing Czochralski grown
silicon (Cz–Si) with ionizing radiation (gamma rays, electrons, also neutrons) results in a creation of vacancy–related complexes. Subsequent processing of irradiated Cz–Si
at sufficiently high temperature (HT) can cause massive
precipitation of oxygen interstitials, especially if performed
under enhanced hydrostatic pressure of inert ambient (HP)
[1-3].
The effect of processing under HP up to 1.2 GPa at HT
up to 1400 K on Cz–Si with interstitial oxygen concentration up to 1.2×1018 cm-3, subjected to pre-irradiation with
λ-rays (dose, D, up to 2500 Mrad, energy, E = 1.2 MeV),
electrons (D ≤ 1×1017 cm-2, 2.5 MeV ≤ E ≤ 7 MeV) or neutrons (D = 0.5 - 1×1017 cm-2, E = 5 MeV) has been investigated by synchrotron topography (HASYLAB at DESY),
X-ray, Infrared Spectroscopy (FTIR), photoluminescence
and related methods.
Processing under HP of irradiated samples, especially
of these ones irradiated with neutrons, at ≥ 1100 K, leads
to irradiation–induced massive precipitation of oxygen interstitials, preferentially at the nucleation sites created by
the vacancy – oxygen (V–O) complexes (the A centers), as
revealed also by synchrotron topography.
When Cz–Si is irradiated with energetic particles of
sufficiently high energy, Si self–interstitials and vacancies
(the Frenkel pairs) are generated. Such defects are annihilated in part just during irradiation.
Remaining (surviving annihilation) vacancies and interstitials can interact with impurities, among which oxygen interstitials are most abundant and act as the stronger
attractors. These defects form the vacancy – oxygen com-
plexes as well as their clusters.
While, in the case of irradiation with λ–rays and electrons, the HT–induced effects are rather weak [1], processing of such samples under HP, especially at about 720 K
and 1270 K, results in the stronger effects, related to their
irradiation–related history. Processing at about 720 K produces thermal donors (TDs) with a concentration of TDs
dependent on point defects created in Cz–Si while, at about
1270 K, interstitial oxygen precipitates massively on the
V–O related clusters.
The effects mentioned are most pronounced in the case
of neutron–irradiated Cz–Si.
Processing of irradiated Cz–Si at 720 – 1400 K under
Ar pressure up to 1.2 GPa reveals, through HP-stimulated
precipitation of oxygen, the primary irradiation–induced
point–like defects. This phenomenon can be useful for radiation detection / dosimetry [3].
References
[1] A. Misiuk, B. Surma, J. Bak-Misiuk, I.V. Antonova, S.A.
Smagulova, „Effect of enhanced pressure during annealing
on the creation of defects in electron-irradiated silicon”, Vacuum 77 (2005) 513-517.
[2] A. Misiuk, B. Surma, C.A. Londos, J. Bak-Misiuk, W. Wierzchowski, K. Wieteska, W. Graeff, „Oxygen precipitation
and creation of defects in neutron irradiated Cz-Si annealed
under high pressure”, phys. stat. sol. (c) 2 (2005) 1812-1816.
[3] A. Misiuk, B. Surma, J. Bak-Misiuk, C.A. Londos, P. Vagovic,
I. Kovacevic, B. Pivac, W. Jung, M. Prujszczyk, „Revealing
the radiation–induced effects in silicon by processing at enhanced temperatures–pressures”, Radiat. Meas. (2007), in
press.
51
P22
XAFS STUDY OF THE SHORT RANGE ORDER IN Ni NANOPARTICLES
EMBEDDED IN CARBONACEOUS MATRIX
R. Nietubyć 1*, E. Czerwosz 2,3, R. Diduszko 2, and M. Kozłowski 4
1
Institute for Nuclear Studies, PL-05400 Świerk, Poland
Industrial Institute of Electronics, ul. Długa 44/50, PL-00241 Warsaw, Poland
3
Kielce University of Technology, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, PL-25314 Kielce, Poland
4
Institute of Physics PAS, Al. Lotników 32/46 PL-02668 Warsaw, Poland
2
Keywords: naro crystallites, XAFS
*) e-mail: r.nietubyc@ipj.gov.edu.pl
Ni K edge x-ray absorption fine structure studies of
nickel nanocrystallites embedded in carbonaceous matrix
have been performed in order to describe the structure of
crystallites of various sizes in a range from 2 nm up to 10
nm.
Films of roughly 3 μm in thickness containing 3.5 – 7.5
weight % of Ni crystallites have been deposited onto mylar
substrate with a PVD method. Their size were controlled
with the Ni concentration and with the time of annealing
accompanying the deposition. Fluorescence yield XAFS
measurements were conducted in A1 beamline of DORIS
storage ring at Hasylab.
Results were interpreted, using model FEFF calculations. performed for Ni, NiO, NiC crystals and for Nin
clusters (n = 13, 19, 55, 79, 149). Measured data were filtered with Fourier transform and fitted to calculated XAFS
curves with the FEFFIT procedure. A fraction of nickel
oxide were estimated from the coefficients of linear combination based on Ni and NiO absorption fine structures.
Obtained results and conclusions were put together with
results of TEM studies.
XAFS measured for the samples containing 10 nm
grains were found similar to that calculated for bulk Ni fcc
cluster. For the smaller grains, the fading of neighbouring
shells further than 3 Å was observed (see Fig. 1). It was
accompanied by the increasing fraction of NiO manifested
in a white line appearing in absorption spectrum and in the
oxygen peak in the Fourier Transform.
We conclude that for all grain sizes, the crystalline Ni
core is covered by the layer of amorphous nickel oxide. Observed differences in short range order and in strength of
oxide admixture are caused by the small size of the grain
resulting in a large fraction of Ni atoms involved in oxide
or located in the region where the atomic order is affected
by NiO.
Figure 1. Fourier transforms of XAFS measured for samples containing Ni crystallites of the various sizes and
calculated for Ni and NiO (thick line). Fitted contributions corresponding to particular neighbours shells are
drawn with a fine line. They are poorly observed in the
Figure because the fit almost overlap the FT of measured
data. No fit was done for 2 nm crystallites.
Acknowledgements: This work has been partially supported by
DESY in the frame of IA-SFS programme.
52
XAFS STUDY OF DOPING-INDUCED DEVIATION OF OXYGEN SITES
FROM THE COLLINEARITY WITH GALLIUM IN RARE
EARTH GALLATES
P23
R. Nietubyć 1*, R. Diduszko 2, and D. Savytskii 3
Institute for Nuclear Studies, PL-05400 Świerk, Poland.
Industrial Institute of Electronics, ul. Długa 44/50, PL-00241 Warsaw, Poland.
3
L’viv Polytechnic National University, 12 Bandera St., UA-79013 L’viv, Ukraine.
1
2
Keywords: EXAFS, scattering paths, rare earth gallates
*) e-mail: r.nietubyc@ipj.gov.edu.pl
Influence of the rare earth atoms mixing rate in
RE(1)xRE(2)(1-x)GaO3 crystal on its structure was studied for
La, Nd, and Pr.
Ga K-edge X-ray absorption fine structure (XAFS)
were measured in D42 beamline of the DCI storage ring
at LURE and interpreted by using model calculations performed with FEFF code. A structural model used for calculations was based on results of X-ray diffraction studies [1].
Contributions to the XAFS signal associated with particular scattering paths were calculated and compared to the
contribution extracted from the measured spectra with the
Fourier transform.
It has been found that observed differences of the fine
structure oscillation are caused by a small modification of
only three scattering paths. Geometrical analysis of these
paths showed that exchanging the rare earth atoms affects
the position of oxygen atom. Small variation of this position
is detectable in XAFS signal due to a high angular sensitivity of oxygen photoelectron scattering function for the
scattering close to the forward one.
Further evidences for the changes of oxygen position
have been found in RE L-edge X-ray absorption near edge
fine structure (XANES). Differences in white line intensity were observed as a function of the mixing rate, x. The
differences are attributed to different magnitude of charge
transfer between RE atom and surrounding oxygen atoms,
resulting from different RE–oxygen bond length
Figure 1. Fourier Transforms of the XAFS measured
for NdGaO3 (1), La0.4Nd0.6GaO3 (2), La0.6Nd0.4GaO3 (3),
La0.8Nd0.2GaO3 (4), LaGaO3 (5). The pronounced differences observed in the range of 2.5 Å - 4.0 Å are caused
by small differences in oxygen position.
References
[1] D. Savytskii, L. Vasylechko, A. Senyshyn, A. Matkowskii,
Phys. Rev. B 68 (2003) 024101.
53
P24
EFFECT OF SMALL AMOUNT OF LITHIUM AND IRON IONS DOPING IN
THE LITHIUM-MANGANESE OXIDE SPINEL STRUCTURE
W. Nowicki *, J. Darul, and P. Piszora
Faculty of Chemistry, Adam Mickiewicz University, ul. Grunwaldzka 6, PL-60780 Poznań, Poland
Keywords: inorganic compounds, x-ray diffraction, manganite, phase transition, superlattice
*) e-mail: waldek@amu.edu.pl
The structural studies of the lithium-excess in the system Li xMn3-x-yFeyO4 for 1.00 ≤ x ≤ 1.05 and 0 ≤ y ≤ 0.1,
was investigated by X-ray diffraction in the temperature
range of 10-300 K. The experiments were carried out at the
DESY/HASYLAB high-resolution powder diffractometer
(beamline B2).
The spinel LiMn 2O4 has attracted large attention as a
low-cost, safe and non-toxic cathode material. However,
disadvantages have been reported, including the irreversible capacity loss associated with Jahn-Teller distortion
and structural transformations appearing below the room
temperature [1]. These problems could be resolved by stabilization of the cubic spinel structure by doping cations
into LiMn 2O4 lattice [2].
Series of compounds with the Li xMn3-x-yFeyO4 stoichiometry have been obtained by solid state reaction of
Li2CO3 with the manganese oxide or iron-manganese oxide
precursors. The precursors were prepared by co-precipitation of amorphous Mn-Fe-hydroxides from the mixed
Mn 2+/Fe3+-nitrate solutions of the mole ratio of Fe:(Mn+Fe)
= 0.0, 0.025, 0.05, 0.075 and 0.1, with sodium hydroxide.
Washed and dried at the room temperature, they were dehydrated for 2 h at 250°C, and then successively at 400°C,
500°C and 600°C for 4 h. Crystalline single-phase precursors display the bixbyite, α-(Mn,Fe)2O3 (Ia3), structure.
Mixed with Li2CO3 in the Li:M2O3 (M=Fe+Mn) ratios corresponding to 1.00 ≤ x ≤ 1.05 in Li xMn3-x-yFeyO4, the samples underwent a successive thermal treatment in air, at
700°C and 800°C for 4 h. After heating, the preparations
were either cooled slowly to the room temperature during
24 h, or quenched rapidly in the solid CO2.
The stoichiometric LiMn 2O4 transforms from cubic to orthorhombic at about 280 K [3]. For x = 1.0125
the temperature of phase transition from cubic to orthorhombic decreases to about 260 K, whereas for x =
1.025 the transformation goes from cubic to tetragonal phase, at the temperature 220 K. No phase transition has been observed for the cubic sample with x =
1.0375 [4]. The partial substitution of Li+ for Mn3+ restrains the Jahn-Teller effect, owing to reduction of the
Mn3+/Mn4+ ratio. Similar result may be obtained with
the Fe3+ for Mn3+ substitution. Doping of Fe3+ ions (y =
0.025 in LiMn 2-yFeyO4) decreases the cubic (Fd3m) to
orthorhombic (Fddd) transition temperature to 240 K
[5].
These effects may be largely intensified when the heterovalent (Li+ for Mn3+) and homovalent (Fe3+ for Mn3+) substitution occur simultaneously. For example, in the sample
of composition Li1.0125Mn1.9625Fe0.025O4, structural transformations was recorded in the temperature range of 300-200
K, whereas for Li1.0125Mn1.9375Fe0.05O4 no phase transition
have been detected down to 10 K.
The investigated sample Li1.0125Mn1.9625Fe0.025O4 have
been classified into two different space groups: orthorhombic Fddd and tetragonal F41/ddm. The structure refinement
using a model with Fddd space group gave better agreement
between observed and calculated intensity of X-ray lines, responding to (400) spinel reflection (Fig. 1).
Acknowledgements: The synchrotron measurements at DESY-HASYLAB were supported by the IA-SFS-Contract No. RII3-CT-2004506008 of European Commission. We would like to thank Dr. C.
Baehtz from Department of Structural Diagnostics, Research Center
Dresden-Rossendorf, for his assistance during experiments.
References
[1] V. Massarotti, D. Capsoni, M. Bini, P. Scardi, M. Leoni, V.
Baron, J. Appl. Crystallogr. 32 (1999) 1186.
[2] H.J. Bang, V.S. Donepudi, J. Prakash, Electrochim. Acta 48
(2002) 443.
[3] J. Rodriguez-Carvajal, J.G. Rousse, C. Masquelier, M. Hervieu, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4660.
[4] E. Wolska, P. Piszora, J. Darul, W. Nowicki, J. Phys. Chem.
Solids 65 (2004) 223.
[5] E. Wolska, M. Tovar, B. Andrzejewski, W. Nowicki, J. Darul,
P. Piszora, M. Knapp, Solid State Science 8 (2006) 31.
Figure 1. Profile matching of the X-ray diffraction patterns
Li1.0125Mn1.9625Fe0.025O4 at 10 K, using the orthorhombic cell with
the space group Fddd compared the tetragonal cell F41/ddm.
54
Gd 4f ELECTRONS CONTRIBUTION TO Si/Gd VALENCE BAND
P25
B.A. Orlowski 1*, B.J. Kowalski 1, E. Guziewicz 1, E. Lusakowska 1, V. Osinniy 1, I.A. Kowalik 1,
M.A. Pietrzyk 1, E. Nossarzewska-Orlowska 2, A. Bukowski 2, and R.L. Johnson 3
1
Polish Academy of Sciences, Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, al. Lotników 32/46, Warsaw, Poland
2
Institute of Electronic Materials Technology, Silicon Department, Warsaw, Poland
3
University of Hamburg, Institute for Experimental Physics, Hamburg, Germany
Keywords: Silicon, semiconductor surface phenomena, photoemission, lantanide
*) e-mail: orbro@ifpan.edu.pl
The Gd atom is a next after Eu with configuration of
electrons Eu 4f76s2 and it has configuration Gd 4f75d16s2.
Lightly bound Gd 5d1 electron contributes as a donor and
Gd atom appears in most chemical compounds as Gd3+ ion.
The Gd atom is very reactive [1] and deposition of it atoms
by evaporation in UHV leads to the creation of craters on
Si(111) surface in interface region. Negative magnetoresistance giant effect was observed [2] in low temperatures below 80 K for Gd xSi1-x silicide as an effect of RKKY interaction between isolated Gd ions and free carriers.
The paper presents study of Gd atoms deposited on
Si(111) surface by means of Atomic Force Microscopy
(AFM) and Fano-type resonant photoemission. The layers
of thickness 2, 20, 150 and 3000 Å were deposited in UHV
conditions. The remarkably deep craters were observed on
silicon surface under deposited 150 Å of Gd layer.
The results of surface morphology investigations by
Atomic Force Microscopy (AFM) shows, that the surface
morphology of Gd/Si system depends on the thickness of
Gd film and on the deposition conditions. After deposition
of 20 Å of Gd the surface is very smooth (RMS about 0.1
nm) with some platelets 2 – 6 nm high and with diameter
about 100 nm. After deposition of 150 Å of Gd the craters
are created in the Si surface region with depth value in the
range of 60 – 320 nm (RMS about 30 nm).
The application of synchrotron radiation (FLIPPER
II station E1, HASYLAB, Hamburg, Germany) in the region of energy hv corresponding to the Gd 4d-4f transition
(130 – 170 eV) gave the possibility to measure Fano-type
resonant photoemission spectra. The spectra of Si valence
band with contribution of Gd 4f electrons were studied for
2 Å thick Gd layer deposited on Si(111) clean surface. The
photoemission study gave the curve of the Fano resonance
shape. The Gd 4f localized electrons gave the contribution
to the valence band density of states located at 9.8 eV below
the valence band edge.
References
Acknowledgements: The authors appreciate the support of the
Polish Ministry of Science and Higher Education No. N202 101
31/0749.
[1] G.L. Molnar, G. Peto, Z. Vertesy, E. Zsoldos, Appl. Phys. Lett.
74 (1999) 1672.
[2] F. Hellman, D.R. Quenn, R.M. Potok, B.L. Zink, Phys. Rev.
Lett. 84 (2000) 5411.
Figure 1. Si (111) surface with 20 Å of Gd (AFM image).
Figure 2. Si (111) surface with 150 Å of Gd (AFM image).
55
P26
FANO RESONANCE INVESTIGATION OF PbTe LAYERS
WITH Eu AND Gd IONS
B.A. Orlowski 1*, V. Osinniy 1, P. Dziawa 1, M. Pietrzyk 1, B.J. Kowalski 1,
B. Taliashvili 1, T. Story 1, and R.L. Johnson 2
Institut für Experimentalphysik, Universität Hamburg, Luruper Chaussee 149, 22761 Hamburg, Germany
1
2
Keywords: synchrotron radiation, photoemission, Fano resonance, diluted magnetic semiconductors
*) e-mail: orbro@ifpan.edu.pl
Resonant photoemission spectroscopy using synchrotron radiation is a powerful tool for investigation of electronic structure of material. Especially this technique is
suitable when the investigated compound consists of the
close located in periodic table elements and/or elements are
in the different charge states. Our photoemission studies of
(Eu,Gd)Te layer [1] showed that Eu ions are in two charge
states: +2 and +3. The structure of Eu3+ 4f shell located at
the valence band is overlapped with Gd3+ 4f shell. Because
of the low amount of Gd we are not able to determine the
contribution of Gd3+ in the valence band photoemission
spectra. Therefore we propose the method for distinction
Eu3+ and Gd3+ ions based on Fano resonance measurements.
For this purpose the binding energies and the resonant and
antiresonant energies of Eu3+ and Gd3+ ions were determined in (Pb,RE)Te films fabricated by MBE method.
The 4f and 5d levels play a key role in the magnetic
coupling of these magnetic semiconductors. Their binding
energies are important parameters for description of d-f intra-ion and d-d inter-ion interactions.
The analysis of photoemission spectra of (Pb,Eu)Te lay-
ers are compared with data obtained by Denecke [2]. The
samples of (Pb,Gd)Te were grown in our group using home
made MBE machine. The Fano resonance curves for Eu2+,
Eu3+ and Gd3+ ions in (Eu,Gd)Te and (Pb,Gd)Te layers are
presented in Figure 1. From Table 1 we can conclude that
main differences between Eu3+ and Gd3+ 4f levels are: 1) Eu3+
ion spectra have two peaks (7.3 and 10.5 eV) whereas Gd3+
only one (10.2 eV) and 2) the resonant energies are considerably different. This proves that if the ratio Gd3+/Eu3+ is
very small the Eu3+ peak at 10.5 eV is so strong that the Gd3+
contribution is neglected even at Gd3+ resonant energy. The
binding energy of Eu2+ locates near Fermi level at 1.6 eV and
resonant energy equals 140.2 eV.
Table 1. Binding energy (EB), resonant (hυres) and antiresonant (hυares) energies of Eu and Gd ions in (Pb,RE)Te
compounds.
Thin layers
Bulk crystals
EB
[eV]
hνres
[eV]
hνares
[eV]
EB
[eV]
hνres
[eV]
hνares
[eV]
Eu2+
1.6
140.2
135
2.4
141.4
134.5
Eu
7.3; 10.5
143
137
Gd3+
10.2
150
142
10
150.4
145
3+
In the bulk crystals [3] the Eu ions in the 3+ charge state
were not observed while in layers the amount of Eu3+ ions
is significant. The photoemission parameters of Gd3+ in layers and bulk crystals are very similar at the same time we
observed the significant difference of these parameters for
Eu2+.
Acknowledgements: The authors appreciate support of the
Polish Ministry of Science and Higher Education No. N202 101
31/0749.
References
[1] B. Orłowski, S. Mickevicius, V. Osinniy, A. Nadolny, B. Taliashvili, P. Dziawa, T. Story, R. Medicherla, W. Drube, Nucl.
Instrum. Meth. Phys. Res. B 238 (2005) 346.
[2] R. Denecke, L. Ley, G. Springholz, G. Bauer, Phys. Rev. B.
53 (1996) 4534.
[3] B.J. Kowalski, Z. Golacki, E. Guziewicz, A. Kozaniecki, B.A.
Orłowski, J. Ghijsen, R.L. Johnson, J. Alloys Compds. 286
(1999) 121.
Figure 1. Fano resonance curves for Eu and Gd ions in
(Pb,Gd)Te and (Eu,Gd)Te.
56
ATOMIC DISPLACEMENTS IN BiFeO3
AS A FUNCTION OF TEMPERATURE
P27
A. Palewicz 1, R. Przeniosło 1, I. Sosnowska 1, A.W. Hewat 2, and I. Margiolaki 3
1
Institute of Experimental Physics, Warsaw University, ul. Hoża 69, PL 00-681 Warsaw, Poland
2
Institut Laue-Langevin, 6 rue Jules Horowitz, BP-156X, 38 042 Grenoble, France
3
European Synchrotron Radiation Facility, 6 rue J. Horowitz, F 38043 Grenoble, France
Keywords: atomic displacement, neutron powder diffraction, synchrotron radiation, electric polarization, perovskite,
multiferroics
BiFeO3 is a multiferroic material which shows both
electric polarisation below TC = 1100 K and long range
magnetic order below TN = 643 K, as recently studied [1].
This material is also used in optical recording [2,3].
The electric polarization is mainly due to shifts of Bi3+
and Fe3+ ions from their ideal perovskite positions. The order
of the magnetic moments of Fe3+ ions in BiFeO3 has a modulated character [4,5]. Our earlier BiFeO3 powder X-ray and
synchrotron radiation diffraction studies could not provide
the full set of structural parameters because of the large domain size and no proper averaging of the grain orientations,
as in the case of strong texture [6]. Neutron powder diffraction, which averages over much larger sample volumes is a
more reliable method for such a study.
The structural parameters of BiFeO3 have been determined by using high resolution powder diffraction (ID31
beamline) at ESRF and high resolution neutron powder diffraction (instrument D2B) at ILL for temperatures from 4
K to 923 K [7].
It was found that there is a local minimum for the rhombohedral angle αrh near the Néel temperature TN ≈ 643 K, a
gradual rotation of the FeO6 octahedra, and an increase of
the Fe-O-Fe angle. The displacement of the Bi3+ ions and
the FeO6 octahedra, which influences the electric polarization, decreases with temperature. One of the Bi-Fe distances has a local maximum near TN. The atomic vibrations
of Bi3+ and O2- ions show significant anisotropy.
References
[1] T. Zhao, A. Scholl, F. Zavaliche, K. Lee, M. Barry, A. Doran,
M.P. Cruz, Y.H. Chu, C. Ederer, N.A. Spaldin, R.R. Das,
D.M. Kim, S.H. Baek, C.B. Eom, R.Ramesh, Nature Mater.
5 (2006) 823.
[2] N. Sasa, Y. Hayashi, T. Fuji, A. Watada, H. Komoda, Jpn. J.
Appl. Phys. 44 (2005) 3643.
[3] K. Takahashi, N. Kida, M. Tonouchi, Phys. Rev. Lett. 96
(2006) 117402.
[4] I. Sosnowska, T. Peterlin-Neumaier, E. Steichele, J. Phys. C
15 (1982) 4835.
[5] R. Przenioslo, A. Palewicz, M. Regulski, I. Sosnowska, R.M.
Ibberson, K.S. Knight, J. Phys. Condens. Matt. 18 (2006)
2069.
[6] A. Palewicz, T. Szumiata, R. Przenioslo, I. Sosnowska, I.
Margiolaki, Solid State Commun. 140 (2006) 359.
[7] A. Palewicz, R. Przeniosło, I. Sosnowska, A.W. Hewat, Acta
Crystallogr. B 63 (2007), in print.
57
P28
HIGH-PRESSURE STUDY OF α AND β POLYMORPHS
OF GERMANIUM NITRIDE
W. Paszkowicz 1, R. Minikayev 1, J. Piętosa 1, C. Lathe 2,3, and J. Nowak 4
1
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, al. Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
2
GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegrafenberg A17, D-14473 Potsdam, Germany
3
Hasylab at DESY, Notkestr. 85, D-22603 Hamburg, Germany
4
Faculty of Chemistry, Catholic University of Lublin, 20-718 Lublin, Poland
refined lattice parameters at room temperature are
a = 8.2006(3) Å, c = 5.9317(3) Å for α phase and a = 8.0319(2)
Å, c = 3.0771(1) Å for the β one.
The high-pressure study was performed at the MAX80
diffraction press, F2.1 beamline (Hasylab, DESY). NaCl
was used as a pressure standard. The pressures ranged
up to 5 GPa. Energy-dispersive diffraction method at diffraction angle of 4.521º was used. To determine the lattice
parameters of the component phases, the Le Bail method
was chosen. For calculations the Fullprof 2k (v. 2.70) program was applied. Examples of fitted spectra collected at
the ambient and 5.0 GPa pressures are shown in Fig. 1. The
obtained bulk moduli, 208.0(6.6) for α phase and 192.5(3.5)
for β phase will be discussed and compared to those reported for other Ge3N4 phases (see Table 1).
The family of nitrides of group IV has become more
widely known since 1989 [1] when the shortest and strongest covalent bond in C3N4 [2] was predicted; the prediction
was followed by numerous experimental studies. Other theoretical predictions concerning the existence of spinel-type
structure (the γ polymorph) have also been successfully experimentally confirmed [3, 4]. The members of this family
crystallise with several structures at ambient pressure. At
high pressures, spinel- and olivine-type phases as well as an
amorphous one have been reported. In this study the pressure behaviour of two polymorphs of a representative of this
family, α- and β-Ge3N4 is presented.
Ge3N4 is a prospective material for application, e.g., in
photodiodes, amplifiers, optic fibres and protective coatings
[5], it has been considered for applications as metal-insulator-semiconductor field effect transistors (MIS FET) [6], as
a possible negative electrode material for Li-ion batteries
[7], and as photocatalysts [8-10], in particular for water decomposition [9, 10]. The structure of basic polymorphs is
understood since the work of Ruddlesden and Popper [11]
who have confirmed that the hexagonal (P63/m) β phase has
reduced phenacite-type unit cell, and the trigonal (P31c) α
phase is structurally a closely related one. Both, α and β
Ge3N4 polymorphs have recently been studied by synchrotron X-ray diffraction at high pressures in a diamond anvil
cell [12]. The cited study shows that in the pressure range
22 to 25 GPa, the β-Ge3N4 phase undergoes a 7% reduction in unit-cell volume, leading to the new δ-Ge3N4 polymorph.
A Raman spectroscopy study of polymorphic transitions occurring in compressed Ge3N4 has provided an evidence of a new transition at 20 GPa [13]. A change of compressibility at about 20 GPa for nanocrystalline spinel-type
Ge3N4 has been attributed to the surface energy contributions to the shell layers of nanoparticles [14]. First-principles investigation of the properties of various polymorphs
of Ge3N4 including the olivine one have been performed in
Ref. [15].
Preparation of pure α and β phases is very difficult.
Ruddlesen and Popper were successful in preparation of
α and β dominant samples by reaction of germanium and
germanium oxide with ammonia, respectively [10]. The
sample studied (ALDRICH) in the present work was a
mixture of α and β polymorphs of Ge3N4 and contained
minor amounts of germanium and germanium oxide. The
weight proportion of these four phases was: 27.1(0.8)%,
72.1(1.1)%, 0.07(0.04)%, 0.69(0.15)% accordingly. The
Table 1. Bulk moduli of basic Ge3N4 phases. Theoretical
values are given in italics.
B [GPa]
α phase
B [GPa]
β phase
B [GPa]
γ phase
218
Reference
[3]
381(2)
268(4)
(a)
(b)
[14]
165(10)
185(7)
[12]
208.0(6.6)
192.5(3.5)
This work
185
(LDA) [16]
166
219.8
(CGA) [16]
219.8
232.5
[5]
214
266
[17]
(a) below 20 GPa, (b) above 20 GPa.
References
[1] A.Y. Liu, M.L. Cohen, „Prediction of new low compressibilty
solids”, Science 245 (1989) 841.
[2] E. Horvath-Bordon, R. Riedel, A. Zerr, P.F. McMillan, G.
Auffermann, Y. Prots, W. Bronger, R. Kniep, P. Kroll, „Highpressure chemistry of nitride-based materials”, Chem. Soc.
Rev. 35 (2006) 987-1014.
[3] K. Leinenweber, M. O’Keeffe, M. Somayazulu, H. Hubert,
P.F. McMillan, G.H. Wolf, „Synthesis and structure refinement of the spinel, γ-Ge3N4”, Chemistry — Eur. J. 5 (10),
(1999) 3076-3078.
[4] A. Zerr, G. Miehe, G. Serghiou, M. Schwarz, E. Kroke, R.
Riedel, H. Fuess, P. Kroll, R. Boehler, „Synthesis of cubic silicon nitride”, Nature 400 (6742), (1999) 340-342.
58
Figure 1. Examples of spectra collected at the ambient (a) and 5.0 GPa (b) pressures, fitted using the Le Bail method.
[11] S.N. Ruddlesden, P. Popper, „On the crystal structures of
the nitrides of silicon and germanium”, Acta Crystallogr. 11
(1958) 465-468.
[12] E. Soignard, P.F. McMillan, C. Hejny, K. Leinenweber,
„Pressure-induced transformations in α- and β-Ge3N4: In
situ studies by synchrotron X-ray diffraction”, J. Solid State
Chem. 177 (1), (2004) 299-311.
[13] P.F. McMillan, S.K. Deb, J.-J. Dong, „High-pressure metastable phase transitions in β-Ge3N4 studied by Raman spectroscopy”, J. Raman Spectrosc. 34 (7-8) (2003) 567–577 (Spec.
Issue: Raman Spectroscopy under Extreme Conditions).
[14] Z.W. Wang, Y.S. Zhao, D. Schiferl, J. Qian, R.T. Downs, H.K. Mao, T. Sekine, „Threshold pressure for disappearance of
size-induced effect in spinel-structure Ge3N4 nanocrystals”,
J. Phys. Chem. B 107 (51) 14151-14153 (2003) 10.
[15] H. Wang, Y. Chen, Y. Kaneta, S. Iwata, „First-principles investigation of the structural, electronic and optical properties of olivine-Si3N4 and olivine-Ge3N4”, J. Phys.: Condens.
Matter 18 (2006) 10663-10676.
[16] J.J. Dong, O.F. Sankey, S.K. Deb, G. Wolf, P.F. McMillan,
„Theoretical study of β-Ge3N4- and its high-pressure spinel γ
phase”, Phys. Rev. B 61 (18), (2000) 11979-11992.
[17] J.E. Lowther, „High-pressure phases and structural bonding
of Ge3N4”, Phys. Rev. B 62 (2000) 5-8.
[5] B. Molina, L.E. Sansores, „Electronic structure of Ge3N4 possible structures”, Int. J. Quant. Chem. 80 (2), (2000) 249-257
(Spec. Issue: Third Congress of the International Society for
Theoretical Chemical Physics, Ed: M. Castro, J. Ladik, C.
Bunge).
[6] K.P. Pande, „Electrical characteristics and memory behavior
of Ge3N4-GaAs MIS devices”, Solid-State Electron. 25 (1982)
145-149.
[7] N. Pereira, M. Balasubramanian, L. Dupont, J. McBreen, L.C.
Klein, G.G. Amatuccia, „The electrochemistry of germanium
nitride with lithium”, J. Electrochem. Soc. 150 (8), (2003)
A1118-A1128.
[8] Y. Lee, T. Watanabe, J. Sato, T. Takata, M. Hara, M. Yoshimura, H. Kobayashi, Y. Inoue, „Development of highly efficient
photocatalyst, Ge3N4, using high pressure treatment”, Nippon
Kagakkai Koen Yokoshu 84 (1), (2004) 479 (abstract). .
[9] J. Sato, Y. Inoue, T. Takata, J. Nomura, M. Hara K. Domen, H.
Kobayashi, „Water decomposition by RuO2-dispersed Ge3N4
with d10 configuration”, Nippon Kagakkai Koen Yokoshu 84
(1), (2004) 477 (abstract).
[10] Y. Lee, T. Watanabe, T. Takata, M. Hara, M. Yoshimura, K.
Domen, „Effect of high-pressure ammonia treatment on the
activity of Ge3N4 photocatalyst for overall water splitting”, J.
Phys. Chem. B 110 (35), (2006) 17563-17569.
.
59
P29
LATTICE PARAMETERS OF Zn1-xMg xSe CRYSTALS
AS A FUNCTION OF TEMPERATURE
W. Paszkowicz 1*, P. Piszora 2, F. Firszt 3, H. Męczyńska 3,
S. Łęgowski 3, M. Knapp 4a, and C. Baehtz 4b
Institute of Physics P.A.S., Al. Lotnikow 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
Laboratory of Magnetochemistry, A. Mickiewicz University, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, Poland
3
Institute of Physics, N. Copernicus University, ul. Grudziądzka 5/7, 87-100 Toruń, Poland
4
Darmstadt University of Technology, Institute of Materials Science, Petersenstr. 23, D-64287 Darmstadt, Germany
1
2
*) e-mail: paszk@ifpan.edu.pl
Wide gap II-VI semiconductors exhibit interesting properties leading to various possible applications in optoelectronics. Structural and elastic properties of these semiconductor are thus of high importance. Zn1-xMg xSe and related
materials are studied since 1983 when the suggestions of
their applications were expressed [1-3]. Alloying ZnSe with
MgSe provides a way of modification of ZnSe properties,
in particular, lattice parameters and bandgap energy tend to
increase with rising Mg content. Knowledge of bulk-crystal thermal expansivity is of importance for construction
of optoelectronic devices involving the Zn1-xMg xSe layers
as building blocks. Joint crystallographic and optical studies have already shown, that bulk Zn1-xMg xSe single crystals crystallise in tetrahedral structures: sphalerite type for
low x, wurtzite type for high x; at the transition region (x ~
0.18), 4H and 8H polytypes are formed. The behaviour of
this material under pressure has been already studied [4,
5]. Experimental X-ray study has been undertaken in order
to determine the thermal expansivity of such crystals. The
main aim of the present study was analysis of thermal expansion behaviour on the basis of X-ray diffraction experiments for sphalerite- and wurtzite-type Zn1-xMg xSe.
The Zn1-xMg xSe crystals were grown from the melt
at Nicolaus Copernicus University by the high-pressure
Bridgman method. In-situ powder-diffraction experiments
were performed in the range 10-300 K at B2 beamline at
Hasylab (DESY, Hamburg) using a powder diffractometer
configured for Debye-Scherrer mode. The wavelength was
equal to 1.2 Å. The thermal expansion coefficient values
at 298 K in both, a and c, directions increase with increas-
ing Mg content (see Table 1). Variation of these properties
with magnesium content will be discussed and compared
with earlier studies of Zn1-xMg xSe and some related semiconductors.
Table 1. Values of thermal expansion coefficient at 298 K
for sphalerite and wurtzite type Zn1-xMgxSe crystals.
composition
thermal expansion
coefficient at 298 K
reference
ZnSe (ZB)
7.3×10-6
[6]
Zn0.92Mg0.08Se (ZB)
8.34×10-6
[7]
Zn0.57Mg0.43Se (a, wurtzite)
11.1×10
-6
this work
Zn0.57Mg0.43Se (c, wurtzite)
11.6×10-6
this work
References
[1] H.J. Lozykowski, P.O. Holtz, B. Monemar, J. Electron. Mater.
12 (1983) 653.
[2] T. Ohnakado, Y. Wu, Y. Kawakami, Sz. Fujita, Sg. Fujita, Jpn.
J. Appl. Phys. 30 (1991) 1668.
[3] H. Okuyama, K. Nakano, T. Miyajima, K. Akimoto, Jpn. J.
Appl. Phys. 30 (1991) L1620 .
[4] E. Griebl, B. Haserer, T. Frey, T. Reisinger, W. Gebhardt, phys.
stat. sol. (b) 198 (1996) 355.
[5] W. Paszkowicz, W. Szuszkiewicz, E. Dynowska, J.Z.
Domagała, F. Firszt, H. Męczynska, S. Łęgowski, C. Lathe, J.
Alloys Compds. 371 (2004) 168.
[6] T. Soma, Solid State Commun. 34 (1980) 927.
[7] W. Paszkowicz, J. Trela, F. Firszt (1996), unpublished.
a) Present address: CELLS, Barcelona 08193, Spain.
b) Present address: Res. Ctr. Dresden Rossendorf, Dept. Structural Diagnostics, D-01328 Dresden, Germany.
60
HIGH-PRESSURE DIFFRACTION STUDY OF α’-Al2CO
P30
W. Paszkowicz 1*, W. Szuszkiewicz 1, A. Yamaguchi 2, C. Lathe 3,4, E. Dynowska 1,
and J.Z. Domagała 1
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences., Al. Lotnikow 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
Nagoya Institute of Technology, Dept of Materials Science and Engineering, Section of Inorganic Materials,
Gokiso-cho, Showa-ku, Nagoya, 466-8555 Japan
3
GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegrafenberg A17, D-14473 Potsdam, Germany
4
Hasylab at DESY, Notkestr. 85, D-22603 Hamburg, Germany
1
2
*) e-mail: paszk@ifpan.edu.pl
Al2O3 (alumina) refractory ceramics has many applications, which are in a large part connected with mechanical
properties of this hard material. Its characteristics may be
modified by carbonisation, i.e. incorporation of carbon atoms into the crystal lattice [1]. One of two known phases in
the ternary Al-C-O system, aluminium oxycarbide Al2CO,
is a refractory ceramics stable in the high-temperature range
(1720ºC and 2000ºC) and may remain metastable at lower temperatures. Two polymorphs of this phase have been reported to
be hexagonal [2]. The high-temperature form, α-Al2CO, is of
wurtzite type. The space group for the low-temperature form,
α’-Al2CO, is unknown; moreover, the published diffraction
pattern includes some non-indexed reflections thought to be
due to a superstructure. In the present study, the variation of
α’-Al2CO lattice parameters under pressure is investigated.
A fine powder of the α’-Al2CO phase was prepared by the
method used in Ref. [3]. In-situ powder-diffraction experiments were performed using a cubic-anvil X-ray diffraction
press, MAX80, installed at the F2.1 synchrotron beamline.
The X-ray beam diameter was 0.1 mm. Energy-dispersive
X-ray diffraction method was applied with angle Θ fixed at
2.8978°. NaCl was used as a pressure marker allowing for
determining the pressure with estimated accuracy of ±1
kbar. The X-ray detection system was based on a germanium
solid-state detector of resolution 155 eV at 5.9 keV. e pressure
range studied was 0 - 52 kbar.
Lattice constants were determined in the 0-25 kbar
range using a least-squares procedure (see Fig. 1). The axial
ratio of the basic hexagonal cell is found to be nearly independent of pressure (c/a ≈ 1.581). The latter result shows
that the compression of α’-Al2CO is isotropic. Unambiguous interpretation of data above 25 kbar was not possible
due to poor data quality, which is assumed to be caused by
considerable strain.
Figure 2. Experimental dependence of lattice-parameters,
a and c, on pressure for α’-Al2CO. The solid lines are
guides to eye.
References
[1] S. Bhattacharyya, D.C. Agrawal, U.S. Mehrotra, S.K. Gupta,
„Enhancement in strength and toughness of Al2O3 due to dissolution of carbon”, Bull. Mater. Sci. 20 (1997) 685-691.
[2] H. Yokokawa, M. Dokiya, M. Fujishige, T. Kameyama, S.
Ujiie, K. Fukuda, „X-ray powder diffraction data for two hexagonal aluminum monoxycarbide phases”, J. Am. Ceram. Soc.
65 (1982) C401.
[3] S. Zhang, A. Yamaguchi, „Hydration resistance and reactions
with CO of Al4O4C and Al2OC formed in carbon-containing
refractories with Al”, J. Ceram. Soc. Jpn. 104 (1996) 393398.
Acknowledgements: The Authors are grateful to Deutsche Elektronen Synchrotron (DESY), Hamburg, for enabling the access
to the facility. The study was partially supported by the Contract
RII3-CT-2004-506008 (IA-SFS) of the European Community.
61
P31
Mn 3d CONTRIBUTION TO THE VALENCE BAND OF Mn/GeMnTe
M.A. Pietrzyk 1*, B.J. Kowalski 1, B.A. Orlowski 1, W. Knoff 1,
V. Osinniy 1, I.A. Kowalik 1, T. Story 1, and R.L. Johnson 2
Institute of Experimental Physics, University of Hamburg, Luruper Chaussee 149, D-22761 Hamburg, Germany
1
2
*) e-mail: pietrzyk@ifpan.edu.pl
In this work we investigated the valence band emission
from the Ge0.9Mn0.1Te epilayers, clean and modified in situ
by deposition of manganese atoms under ultra high vacuum
conditions. Ge1-xMn xTe is a ferromagnet with a relatively
high Curie temperature (up to 140 K) strongly depending
on Mn concentration. Thus, investigation of its properties,
including the band structure, attracts considerable interest,
in view of possible applications of IV-VI-based systems in
fabrication of spintronic devices.
The Ge0.9Mn0.1Te layers were grown on BaF2 (111) substrates by an MBE method with use of effusion cells as
GeTe, Te2 and Mn solid sources. The substrate temperature was 400-450°C. The Mn contents in Ge0.9Mn0.1Te was
checked by energy dispersive X-ray fluorescence analysis.
The sample surface was protected by a layer of amorphous
tellurium. Prior the photoemission experiments, the tellurium layer was removed by Ar + sputtering and annealing. The
Mn overlayers were deposited in situ at room temperature.
The valence band and shallow core levels of Ge0.9Mn0.1Te
and ultrathin Mn overlayers were investigated by means of
resonant photoemission spectroscopy (RPES). The radiation energy was tuned to the intra ion transition Mn 3p-3d
in order to enhance emission from partly occupied Mn 3d
shell.
Resonant photoemission spectra were measured for the
photon energy range 40 <hν <60 eV, covering the energy
of the Mn 3p→3d transition. They were acquired for the
clean surface of the Ge0.9Mn0.1Te sample, after evaporation
of 0.5 ML Mn and after annealing at 200°C for 2 hours.
The annealing was carried out in order to induce diffusion
of Mn atoms into the Ge0.9Mn0.1Te crystal. The photoemission spectra covered the range of electron binding energy
starting from the Fermi level down to the Mn 3p level. The
Mn 3d states contribution appeared in the valence band,
with a maximum at the binding energy of 4.7 eV. Its shape
corresponded to that expected for Mn 2+ ions surrounded
by six Te ions in the octahedral coordination [1]. Deposition of Mn and annealing the system led to an increase of
Mn 3d feature intensity but its shape is similar to that of
Ge0.9Mn0.1Te. This proved that diffusing Mn ions occupied
similar sites in the lattice as those of Mn atoms introduced
during the layer growth.
In order to determine the contribution of the Mn 3d shell to
the valence band of the investigated system the Mn 3d partial
density of states was derived as a difference of the photoemission spectra taken at resonance (hν = 50 eV) and antiresonance
(hν = 48 eV) photon energies (Fig. 1).
Figure 1. The resonance - anti-resonance difference curve
obtained for GeMnTe surface covered with 0.5 ML of Mn
and annealed at 200°C for 2 hours.
The results acquired for the Ge0.9Mn0.1Te epilayers are
compared with those recently obtained for bulk Ge1xMnxTe
polycrystals in which Mn possibly forms a mixed valence
system [2]. The photoemission results are also related to
substantial differences in magnetic properties of these two
systems.
Acknowledgements: The authors acknowledge the support by
MSHE (Poland) grants N202 101 31/0749 and 1 P03 B053 26 as
well as by the European Community via the Research Infrastructure Action under the FP6 „Structuring the European Research
Area” Programme (through the Integrated Infrastructure Initiative „Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science”) at DESY.
References
[1] K. Kaznacheyev, T. Muro, T. Matsushita, T. Iwasaki, Y. Kuwata, H. Harada, S. Suga, H. Ishii, T. Miyahara, T. Mizokawa,
A. Fujimori, T. Harada, T. Kanomata, Phys. Rev. B 58 (1998)
13 491.
[2] W. Dobrowolski, M. Arciszewska, B. Brodowska, V.
Domukhovski, V.K. Dugaev, A. Grzęda, I. Kuryliszyn-Kudelska, M. Wojcik, E.I. Slynko, Sci. Sintering 38 (2), (2006) 109.
62
RESONANT PHOTOEMISSION STUDY OF GeEuTe AND GeFeTe
P32
M.A. Pietrzyk 1*, B.J. Kowalski 1, B.A. Orlowski 1, V. Osinniy 1,
W. Dobrowolski 1, Z. Golacki 1, and R.L. Johnson 2
1
2
Institute of Experimental Physics, University of Hamburg,
Luruper Chaussee 149, D-22761 Hamburg, Germany
Keywords: photoemission spectroscopy, Fano resonance, synchrotron radiation
In this work we present the results of photoemission
study of the electronic structure of GeTe doped with Fe or
Eu. Synchrotron radiation was used as tunable radiation
source for these experiments.
The IV-VI crystals are known to form solid solutions not
only with magnetic ions with uncompletely filled 3d shell
(e.g. Mn, Fe), but also with the elements with uncompletely
filled 4f shell (e.g. Eu, Gd) [1]. Eu-doped IV-VI crystals can
be effectively applied for the construction of mid-infrared
tunable detectors and lasers. In the europium compounds
with different europium valencies, the final state multiplets
4f 5 and 4f 6 (for Eu3+ and Eu2+ ions, respectively) lie at different binding energies [2].
This experiment was based on the Fano effect in which
rare earth (RE) 4f and transition metal (TM) 3d electrons
are locally and selectively excited when the photon energy
is tuned to the RE 4d→4f and TM 3p→3d transition. The
photoemission intensity in the resonance region is described
by the Fano line shape [3], which consists of a resonance
maximum and an antiresonance minimum. Comparison of
the spectra measured for these two photon energies allows
determination of f- and d-related emission.
The samples were grown by the Bridgman method
(Ge0.95Eu0.05Te - in the Institute of Physics Polish Academy of
Sciences in Warsaw, Ge0.86Fe0.14Te - in the Institute for Problems of Materials Science, National Academy of Sciences
of Ukraine). The clean crystal surfaces for photoemission
measurements were prepared in situ by scraping the samples
with a diamond file under UHV conditions.
The photoemission measurements were performed at the
FLIPPER II system in HASYLAB (Germany). The spectra
of Ge0.95Eu0.05Te were measured for the photon energy range
of 130 - 160 eV (corresponding to Eu 4d→4f resonance for
both Eu2+ and Eu3+) and those of Ge0.86Fe0.14Te for the photon
energy range of 40-60 eV (Fe 3p→3d).
The analysis of the acquired data enabled us to determine
the charge state (Eu2+ vs. Eu3+) of Eu ions for Ge0.95Eu0.05Te
sample and the contribution of Fe3d states to the valence
band of Ge0.86Fe0.14Te (Figure 1 shows a set of valence band
spectra of Ge0.86Fe0.14Te taken for photon energies close to
the Fe 3p-3d resonance).
Figure 1. The valence band spectra of GeFeTe near the 3p3d excitation threshold.
References
[1] G. Bauner, H. Pascher, W. Zawadzki, Semicond. Sci. Technol.
7 (1992) 703.
[2] W.D. Schneider, C. Laubschat, G. Kalkowski, Phys. Rev. B 28
(1983) 2017.
[3] U. Fano, Phys. Rev. B 23 (1961) 1866.
63
P33
VALENCE BAND OF PbGdTe LAYER UNDER Gd ATOMS DEPOSITION
M.A. Pietrzyk 1*, B.A. Orlowski 1, B.J. Kowalski 1, P. Dziawa 1,
V. Osinniy 1, B. Taliashvili 1, and R.L. Johnson 2
Institute of Experimental Physics, University of Hamburg, Luruper Chaussee 149,
D-22761 Hamburg, Germany
1
2
Keyword: synchrotron radiation photoemission spectroscopy, gadolinium, Fano resonance
We report on the results of the electronic structure study
of the Gd/PbGdTe system prepared in situ by deposition of
Gd on the PbGdTe surface under ultra high vacuum conditions. In particular, the Gd 4f and Gd 5d –related features
were revealed and analyzed. These two levels play important role in the interactions between gadolinium ions in
IV-VI–based diluted magnetic semiconductors. There are
strong indications that they proceeds via d-f intra-ion and
d-d inter-ion interactions. As a consequence, they depend
on the Fermi level position and population of the Gd 5d orbital. The binding energies of Gd 4f and Gd 5d electrons are
important parameters for description of this interaction.
Resonant photoemission spectroscopy was applied as
an experimental method. It is based on the Fano-type Gd
4d-4f resonance which leads to strong increase of emission from Gd 4f shell and helps to reveal structures derived
from Gd 4f states. The photoemission measurements were
performed at the FLIPPER II system in HASYLAB (Germany). The PbGdTe layers were grown on BaF2 (111) substrates by an MBE method using effusion cells for PbTe,
Te2 and Gd solid sources. Before the growth process, the
substrate was preheated at the temperature of about 500°C.
Subsequently, a 0.6 μm thick PbTe buffer layer and a PbGdTe layer were deposited at the temperature of 270°C.
The composition of PbGdTe was analyzed using the energy
dispersive x-ray fluorescence which revealed Gd content of
1.8 at.%.
The sample surface was protected by a layer of amorphous tellurium. Clean surfaces of PbGdTe for photoemission experiments were obtained by sputtering with Ar+ ions
and annealing about 6 hours at the temperature of 325°C.
Gadolinium atoms were evaporated in situ from an effusion
cell on the clean PbGdTe crystal. The Gd layer was deposited
stepwise with the layer thickness of 0.4 and 1 nm. After second deposition stage the Gd/PbGdTe system was annealed at
the temperature of 320°C for 3.5 hours.
Sets of photoemission spectra were measured for the
clean surface of PbGdTe sample (the protecting Te layer
removed) and after subsequent stages of Gd evaporation
(Fig. 1). Deposition of Gd on PbGdTe, annealing of such
structure and comparison of the collected photoemission
spectra enabled us to reveal Gd related features in PbGdTe
substrate with low Gd content (the solubility of Gd in PbTe
is weak).
Moreover, we could increase Gd contents in the surface
layer of the substrate and to study that system. The maximum occurring at the binding energy of about 8 eV was
ascribed to Gd 4f. The feature which can be ascribed to Gd
5d, was revealed at the edge of the valence band. Analysis
of the changes in its intensity enabled us to draw conclusions about population or depopulation of the Gd 5d state in
the system.
Figure1. The photoemission spectra of PbGdTe covered
with 1 nm thick Gd layer and annealed at 320°C.
64
SYNCHROTRON X-RAY POWDER DIFFRACTION STUDIES
ON THE MORASKO METEORITE
P34
P. Piszora 1*, M. Kozak 2, J. Darul 1, W. Nowicki 1, A. Muszyński 3, and D. Trots 4
1
Department of Materials Chemistry, A. Mickiewicz University, ul. Grunwaldzka 6, PL 60-780 Poznań, Poland
Department of Macromolecular Physics, A. Mickiewicz University, ul. Umultowska 85, PL 61-614 Poznań, Poland
3
Institute of Geology, A. Mickiewicz University, Maków Polnych 16; PL 61-606 Poznań, Poland
4
Darmstadt University of Technology, Institute for Materials Science, Petersenstraße 23, 64287 Darmstadt, Germany
2
Keywords: meteorite, X-ray powder diffraction
*) e-mail: pawel@amu.edu.pl
Iron meteorite is composed mainly of iron and nickel
in the form of two nickel-iron alloys, kamacite and taenite.
Iron meteorites are easy for even a layperson to tell apart
from ordinary Earth rocks because of their metallic appearance and high density. They also tend to be bigger than either stony meteorites or stony-iron meteorites, because they
usually survive passage through the atmosphere intact and
suffer much less from the effects of ablation. All known
iron meteorites have a combined mass of more than 500
tons – about 86% of the mass of all known meteorites. Yet
they are quite rare, accounting for about one in 20 of observed falls. Iron meteorites come mostly from the cores
of small differentiated asteroids that were broken apart by
cataclysmic impacts shortly after their formation.
In Poland there are two supposed sites of meteorite fall
which form small craters: near Frombork and in Morasko
(near Poznan). A number of craters with diameters ranging
from 20 to 90 m is the landscape testimony of the extraterrestrial-matter impact at Morasko [1,2]. The craters are not
the only evidence of the meteorite fall as quite a number of
its parts have been found in the vicinity of the craters. The
iron meteorite fragments of varied size, up to 180 kg, and
micrometeorites, are common there. According to palynological [3] and radiometric data [4], the time of the impact is
estimated between 3700 and 5500 years BC.
The X-ray diffraction measurements were carried out
at the powder bending-magnet beamline, B2, Desy/Hasylab. The Debye-Scherrer geometry and the on-site readable
image plate OBI detector were applied for data collection.
The Xray patterns were recorded in the 2θ range from 4 to
45°. The wavelength, determined by calibration using NIST
silicon standard, was 0.49604 Å. The data analysis was performed with the GSAS Rietveld refinement software [5].
The XRD study has been supplemented with analysis of
the cross-section surface of the meteorite samples by scanning electron microscopy (SEM).
Powder X-ray diffraction method has been employed
to characterize the crystal structure of the meteorite. The
core of the meteorite consisted of metallic iron. The region
Figure 1. Section of the graphical result of the Rirtveld
refinement on the synchrotron X-ray diffraction pattern.
Inset - small fragment of the meteorite used for X-ray diffraction measurements.
overlying the core contained a mixture of at least seven iron
compounds proved by the Rietveld refinement (Figure 1).
The main crystal phase of this shell was goethite (space
group Pbnm).
Acknowledgements: This work was supported by the European Community – Research Infrastructure Action under the FP6
”Structuring the European Research Area” Programme (through
the Integrated Infrastructure Initiative “Integrating Activity on
Synchrotron and Free Electron Laser Science”).
References
[1] J. Pokrzywnicki, Acta Geol. Polon. 5 (1955) 427-437.
[2] W.T.J. Stankowski, Planet. Space Sci. 49 (2001) 749-753.
[3] K. Tobolski, Palynological investigations of bottom sediments
in closed depressions, Meteorite Morasko and the region of its
fall (Adam Mickiewicz University, Poznań, 1976), pp. 21-26.
[4] W. Stankowski, A. Muszyński, K. Klim, M. Schliestsdt, Proc.
Estonian Acad. Sci. Geol. 51/4 (2002) 227-240.
[5] A.C. Larson, R.B. von Dreele, General Structure Analysis
System (GSAS), Los Alamos National Laboratory Report
LAUR, (1994) 86-748.
65
P35
INFLUENCE OF IRON-ION SUBSTITUTION
ON THE PRESSURE-INDUCED PHASE TRANSITION IN LiMn2-xFexO4
P. Piszora * and W. Nowicki
Department of Materials Chemistry, Faculty of Chemistry, Adam Mickiewicz University,
ul. Grunwaldzka 6, PL-60780 Poznań, Poland
Keywords: lithium-ion batteries, high pressure, energy-dispersive X-ray diffraction
*) e-mail: pawel@amu.edu.pl
The lithium manganese oxide has been extensively investigated electrochemically, due to its potential use as a
low-cost and non-toxic material for the lithium-ion batteries.
Stoichiometric spinel oxide, LiMn2O4, displays at room
temperature a cubic, normal spinel structure (space group
Fd3m), with Li+ occupying the tetrahedral 8a sites, and 1:1
mixture of Mn3+ and Mn4+ ions randomly distributed over
the octahedral 16d Wyckoff’s positions. However, the JahnTeller distortion of Mn3+O6 octahedra induces a reversible
cubic (Fd3m) → orthorhombic (Fddd) phase transition at
about 280 K [1]. Most studies on the lithium–manganese
oxide as a cathode material have concentrated on the stabilization of the cubic spinel structure, mainly by doping other transition metal ions into LiMn 2O4 lattice. Better electrochemical capacity retention has been observed
for spinels substituted with Co, Ni and Fe ions [3]. Partial
substitution of Fe3+ ions for Mn3+ restrains the cooperative
Jahn-Teller effect, due to the reduction of Mn3+/Mn4+ ratio. In LiFe0.1Mn1.9O4 the temperature phase transition from
cubic to orthorhombic structure may be totally suppressed
[2]. Similar effect could be expected for the high-pressure
phase transition of the iron-substituted lithium-manganese
spinel as well.
We present new results of high-pressure studies of iron
substituted LiFexMn2−xO4. The energy-dispersive X-ray diffraction experiments were undertaken at synchrotron beamline F2.1 (DESY/HASYLAB) to compare the structural
phase transition of stoichiometric LiMn2O4 and iron-substituted LiFeyMn2−yO4 at high-pressure conditions.
Samples were obtained by conventional solid state reaction of Li2CO3 with α-(Mn,Fe)2O3 (Ia3, bixbyite structure)
at 923 K. The samples were mounted in a hexagonal boron nitride (hBN) cylinder in the middle of cube of boronepoxy mixture with the edge length 8 mm. The cube was
located in between six anvils of the MAX80 press. The
samples were diluted with hBN in order to get quasihydrostatic conditions. The measurements were carried out at
room temperature in the pressure range ambient to 2.4 GPa.
The characteristic feature of the experimental setup applied
was the use of white synchrotron radiation combined with
a diffraction angle fixed at θ = 4.529°. The X-ray detection
system was based on a germanium solid-state detector of
resolution 135 eV at 6.3 keV.
Le Bail fitting, implemented in FullProf program, was
applied to constrain peak numbers and shifts by unit-cells
and space groups. The energy-dispersive X-ray diffraction
patterns varied with applied pressure, as it has been observed earlier for stoichiometric LiMn 2O4 [4]. Even for as
low pressure as 0.2 GPa one can observe in diffractograms
the additional diffraction peaks. We indexed them with the
tetragonal space group I41/amd.
While LiMn 2O4 and LiFeyMn 2−yO4 were compressed,
the evolution of the diffraction spectra was significantly affected with pressure (Fig. 1).
Figure 1. An example of profile fitting with the Le Bail
method.
Acknowledgements: We would like to thank Dr. Christian Lathe
for assistance during the measurements. This work was supported by the European Community - Research Infrastructure Action under the FP6 „Structuring the European Research Area”
Programme (through the Integrated Infrastructure Initiative „Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science”.) by DESY/HASYLAB (Contract RII3-CT-2004-506008).
References
[1] J. Rodriguez-Carvajal, G. Rousse, C. Masquelier, M. Hervieu,
Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4660.
[2] E. Wolska, M. Tovar, B. Andrzejewski, W. Nowicki, J. Darul,
P. Piszora, M. Knapp, Solid State Sci. 8 (2006) 31.
[3] H.J. Bang, V.S. Donepudi, J. Prakash, Electrochim. Acta 48
(2002) 443.
[4] P. Piszora, Solid State Phenom. 130 (2007) 69.
66
Zn AND S XANES ANALYSIS OF PROSTATE TISSUES AND CELLS
P36
W.M. Kwiatek 1*, M. Podgórczyk 1, Cz. Paluszkiewicz 2, A. Balerna 3,
A. Banaś 1, A. Kisiel 4, and G. Falkenberg 5
Institute of Nuclear Physics PAS, ul. Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków, Poland
AGH University of Science and Technology, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland
3
INFN - Laboratori Nazionali di Frascati, Via E. Fermi 40, I-00044 Frascati, Italy
4
Institute of Physics, Jagiellonian University, ul. Reymonta 4, 30-059 Kraków, Poland
5
Hasylab, DESY, Notkestrasse 85, D-22603 Hamburg, Germany
1
2
Keywords: synchrotron radiation, prostate cancer, XANES, zinc, sulphur
*) e-mail: Wojciech.Kwiatek@ifj.edu.pl
Na2S2O3 XANES spectrum (where sulphur is on –II and +VI
oxidation state). The results of selected organic references
such as albumin, ovo-albumin, mioglobine, L-cysteine and
H8 horse kidney standard are also presented.
The prostate is a gland of male reproductive system.
Prostate cancer is one of the most commonly diagnosed
cancers in men throughout the world [1].
Prostate epithelial cells can accumulate 3-10 fold higher
zinc levels than other mammalian cells [2].
Among different roles of zinc occurs that it influences
immune system function [3], antiangiogenesis process [4]
and apoptosis [5]. As a component of copper/zinc superoxide dismutase (CuZnSOD), which defends cells against
reactive oxygen species (ROS), zinc has a significant antioxidant function [6].
Presence of zinc in prostate cells is strongly connected
with their metabolism [7].
Concentration of free Zn 2+ ions in prostate cells is negligible. All the cytosolic zinc exists as bound form. Zinc is
bound to proteins molecules through oxygen, nitrogen or
sulfur atoms present in side chains of specific ligands [8].
Depending on different coordination, chemical characteristic of zinc changes, resulting in metabolically activation
or inertness of a protein.
XANES Zn K-edge experiment carried out on L-beam
Hasylab, DESY, Hamburg (Germany) was performed on
hyperplastic, healthy and cancerous tissues. The energy
shift between Zn K-edge for Zn (metal) and Zn in prostate
tissue samples and in ZnO is about 4 eV and no significant
differences between tissue spectra in Kossel region have
been observed. Concentration of zinc in cancerous tissue
is lower as compared to healthy tissue. Obtained relative
value of zinc concentration in cancerous tissue to healthy
one was equal 0.30.
XANES S K-edge measurements executed on DRX2
beamline at the LNF, Frascati (Italy) for cultured prostate cancer cell lines (PC-3, DU-145, LNCaP) and tissue show presence of peaks with energy of about 2474 eV, 2477 eV, 2482
eV and 2498 eV in Kossel region. Observed peak positions,
compared to reference inorganic standards (ZnS, CdS, CuS)
suggest presence of sulphur on –II oxidation state, however
complexity of oscillations is very similar to those present in
Acknowledgements: This work was supported by the European Community Research Infrastructure Action under the FP6
„Structuring the European Research Area” Programme, contract
No. RII-CT-2004-506008, project No. II-04-079EC and EU Integrated Infrastructure Initiative Hadron Physics Project, contract
No. RII3-CT-2004-506078, Tari Program No. 48.
The authors wish to thank Prof. Jerzy Stachura and Prof. Tadeusz
Cichocki from Collegium Medicum at the Jagiellonian University
for their assistance in tissue samples classification and preparation. Special thanks are given to Prof. Piotr M. Laidler and to
Dr. Joanna Dulińska-Litewka for cultured prostate cells samples
preparation and to Dr. Marek Gałka from the Gabriel Narutowicz
Hospital in Kraków for sample procurement.
References
[1] P. Boyle, G. Severi, G.G. Giles, „The epidemiology of prostate
cancer”, Urol. Clin. North. Am. 30 (2), (2003) 209-217.
[2] V. Ye. Zaichick, T.V. Svidrova, S.V. Zaichick, „Zinc in the human prostate gland: Normal, hyperplastic and cancerous”, J.
Radioanal. Nucl. Chem. 217 (2), (1997) 157-161.
[3] L. Rink, H. Haase, „Zinc homeostasis and immunity”, Trends
Immunol. 28 (1), (2007) 1-4.
[4] Y-P. Pang., „Novel zinc protein molecular dynamics simulations: step toward antiangiogenesis for cancer treatment”, J.
Molec. Model. 5 (10), (1999) 196-202.
[5] E. Ho, „Zinc deficiency, DNA damage and cancer risk”, J.
Nutr. Biochem. 15 (10), (2004) 572-578.
[6] M.P. Zago, P.I. Oteiza, „The antioxidant properties of zinc: interactions with iron and antioxidants”, Free Radic. Biol. Med.
31 (2), (2001) 266-274.
[7] L.C. Costello, R.B. Franklin, P. Feng, „Mitochondrial function, zinc, and intermediary metabolism relationships in normal prostate and prostate cancer”, Mitochondrion 5 (3), (2005)
143-153.
[8] W. Maret, „Zinc coordination environments in proteins determine zinc functions”, J. Trace Elem. Med. Biol. 19 (1), (2005)
7-12.
67
P37
STRUCTURE OF Si:Mn ANNEALED UNDER AMBIENT
AND ENHANCED STRESS CONDITIONS
P. Romanowski 1*, J. Bak-Misiuk 1, E. Synowska 1, A. Shalimov 1, S. Kret 1,
P. Dluzewski 1, A. Misiuk 2, W. Caliebe 3, and W. Szuszkiewicz 1
1
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Al. Lotnikow 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
2
3
HASYLAB-DESY, Notkerstrasse 85, D-22603, Hamburg, Germany
Keywords: X-ray diffraction, strain, Si:Mn
*) e-mail: romeck@ifpan.edu.pl
Silicon implanted with Mn (Si:Mn) is magnetically ordered after appropriate annealing [1, 2]. This work concerns
the Si:Mn structure as well as its dependence on temperature during implantation, Ts, and on subsequent annealing
parameters.
The structure studies of single crystalline silicon implanted at 340 K or 610 K with Mn+ ions (Si:Mn) and subsequently processed under atmospheric and enhanced hydrostatic pressure at up to 1270 K are reported. The defect
structure was determined by an analysis of X-ray diffuse
scattering around the 004 reciprocal lattice point and by
electron microscopy. High resolution X-ray diffraction
techniques based on the conventional source of radiation
were used for this purpose. Due to characterization of defects simulation of reciprocal space maps was performed
using the X-ray diffraction kinematical theory.
The crystal structure of Si:Mn and the Si1-xMn x precipitates in the implantation – disturbed layer were studied by
synchrotron radiation diffraction in the grazing incidence
geometry. In this method a sample is fixed and the angle
between the sample surface and X-ray beam is small (1°
in our case). The intensity of diffracted beam has been detected by the counter rotating in the plane perpendicular to
the sample surface in the large 2Θ angles (2Θ scan). The
same geometry has been used for investigation of thin nearsurface polycrystalline layers.
The near–surface area of Si:Mn implanted at
Ts = 340 K is amorphous. In the case of implantation at Ts =
610 K, this area is better ordered, with well-defined layered
structure, while the buried layer is polycrystalline. Subsequent
annealing of Si:Mn results in crystallization of amorphous Si
within the buried implantation–disturbed layer and in formation of Mn4Si7 precipitates (Fig. 1). The lattice parameters of
the Si7Mn4 phase are as follows: a = 5.525 Å and c = 17.463 Å
[3]. More pronounced re-crystallization of amorphous material
is observed for Si:Mn processed under enhanced hydrostatic
pressure. Structural changes are dependent both on temperature of the Si substrate at implantation and on processing parameters. After processing at 1270 K, the samples implanted at
Ts = 340 K indicated the presence of dislocation loops while
vacancies and/or interstitials were formed in Si:Mn prepared
at 610 K.
Figure 1. Powder diffraction patterns collected in grazing
incidence geometry for Si:Mn implanted at Ts = 340 K (a)
and 610 K (b): 1 - as-implanted; 2 - annealed for 1 h at 610
K under 105 Pa; 3, 4 - annealed for 1 h at 870 K under 105
Pa and 1.1 GPa, respectively.
References
[1] M. Bolduc, C. Awo-Affouda, A. Stollenwerk, M.B. Huang,
G.G. Ramos, G. Agnello, V.P. LaBella, Phys. Rev. B 71 (2005)
033302.
[2] A. Misiuk, J. Bak-Misiuk, B. Surma, W. Osinniy, M. Szot, T.
Story, J. Jagielski, J. Alloys Compds. 423 (2006) 201.
[3] JCPDS 72-2069 (International Committee for Diffraction
Data 2002).
68
ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ NAD PRZYSWAJANIEM WIEDZY
O PROMIENIOWANIU SYNCHROTRONOWYM
W SZKOŁACH PONADPODSTAWOWYCH
P38
Maria Rut-Marcinkowska
PREKURSOR – ul. Grunwaldzka 31A/21, 60-783 Poznań
majarut@poczta.onet.pl
zyki. Pojawiają się wątpliwości co do minimum wiedzy
jaką powinien posiadać współczesny uczeń opuszczając
szkołę na różnym poziomie kształcenia. Jakie wiadomości należy przekazywać w szkole podstawowej, jakie
w gimnazjum, jakie w szkole średniej a jakie dopiero na
studiach specjalistycznych. W niniejszej pracy podjęto
próbę pokazania w jaki sposób można przekazać pozornie bardzo specjalistyczne informacje uczniom, którzy
są zainteresowani nowościami, nawet w ujęciu bardziej
opisowym niż rachunkowym. Zajęcia z uczniami prowadzono wg różnych scenariuszy, przedstawionych
w pracy. Lekcje przeprowadzano w szkole średniej przed
reformą systemu oświaty w Polsce (liceum zawodowe,
liceum zawodowe dla dorosłych) i po zmianie organizacji szkolnictwa, a więc w gimnazjum i liceum. W podsumowaniu przedstawiono opracowanie wyników badań
pedagogicznych i ich omówienie.
Dzięki pracom nad badaniem struktury materii prowadzonym z wykorzystaniem akceleratorów cząstek
elementarnych odkryto, że urządzenia te stanowią silne źródło krótkofalowego promieniowania elektromagnetycz-nego o dość szerokim zakresie widma. To tzw.
promieniowanie synchrotronowe, jest wykorzystywane
obecnie do badania struktury i własności materii na
poziomie od atomowego do makroskopowego. Zainteresowanie młodzieży budzą prowadzone prace związane
z praktycznym wykorzystaniem nowych technik i zdobyczy nauki, jak zastosowanie promieniowania synchrotronowego w badaniach i analizie strukturalnej różnych
związków w fizyce, chemii, biologii, medycynie – obrazowanie ludzkich naczyń wieńcowych itp. Ciągłe, coraz
pełniejsze, poznawanie natury otaczającego nas świata
pociąga za sobą wybór treści związanych z zakresem
wiadomości przekazywanym uczniom na lekcjach fi-
69
P39
XAFS STUDY OF PROTONIC SOLID ELECTROLYTES
K. Schneider 1*, P. Peczkis 1, Cz. Kapusta 1, D. Zajac 2,3, P. Pasierb 4, and M. Rekas 4
AGH University of Science & Technology, Faculty of Physics & Applied Computer Science,
Dept of Solid State Physics, PL-30059 Krakow, Poland
2
Institute of Nuclear Physics PAS, Dept. of Magnetic Resonance Spectroscopy, PL-31342 Krakow, Poland
3
Hasylab at DESY, D22607 Hamburg, Germany
4
AGH University of Science & Technology, Faculty of Materials.Science & Ceramics, PL-30059 Krakow, Poland
1
Keywords: protonic electrolyte, fuel cell, synchrotron radiation, XAFS
*) e-mail: Krystyna Schneider@agh.edu.pl
Discovery by Iwahara et al. [1] in early 1980’s of proton
conductivity at elevated temperatures in some perovskite
oxides gave a strong impact for research and development
of a new class solid electrolytes which can be used as solid
electrolyte in intermediate temperature fuel cells. The typical example of this class of materials, called as high temperature protonic conductors, is barium cerate, BaCeO3,
doped e.g. with yttrium.
In spite of the high proton conductivity, Y- doped BaCeO3 has only limited application as a solid electrolyte
in fuel cells due to its poor stability under CO2-containing gas atmosphere. It was found [2] that Ba-deficient yttrium-doped cerate is more stable in the presence of carbon
dioxide and steam than the material containing stoichiometric composition in Ba-sublattice. In this work the local structures and electronic properties of Ce, Ba and Y in
Ba1-yCe1-xYxO3-δ (x = 0 or x = 0.5 and y = 0 or y = 0.05) have
been studied by means of X-ray absorption fine structure
(XAFS) spectroscopy.
Powders of Ba1-yCe1-xYxO3-δ (where nominally y = 0 or
0.95 and x = 0 or 0.05) were prepared by solid-state reaction
method. Barium carbonate BaCO3 (99.9%, Johnson Matthey,
Materials Technology U.K.), cerium (IV) oxide CeO2 (99.9%,
Aldrich Chemical Company, Inc.) were used as starting materials. Yttrium dopant was introduced by impregnation of
starting powders mixture with the water solution of yttrium
(III) nitrate (V) (0.065 g of Y2O3 in 1 cm3 of solution). The yttrium (III) nitrate (V) hexahydrate, Y(NO3)3·6H2O, (99.9%,
Aldrich Chemical Company, Inc.) was used for preparation
of the solution. The obtained materials were crushed in agate mortar, milled, then formed in pellet die (ø = 13 mm)
at 37 MPa, isostatically pressed at 250 MPa and sintered at
1500°C for 12 h. After mixing of appropriate amounts of
starting powders and impregnation the materials were dried
at 80°C and calcined at 1175°C for 12 h.
The XAFS measurements have been carried out at Hasylab/DESY synchrotron facility in the XANES (X-ray
Absorption Near Edge Structure) region and in the EXAFS
(Extended X-ray Absorption Fine Structure) region. The Y:
K edge spectra were measured at the CEMO station with
the fluorescence detection, whereas for Ba:L1 and Ce:L1,L2
edges they were measured in transmission mode. The representative EXAFS results obtained at the Ce:L2 edge are
shown in Figure 1.
The dominant peak of the first nearest neighbour shell
observed at about 2 Å corresponds to oxygen neighbours to
the cerium ions. Its slightly higher intensity observed for
the compound denoted as Ba0.95CeO3 indicates possibly a
lower amount of oxygen vacancies in this compound. The
peak at about 4 Å, which corresponds to Ce ions, has a
smaller intensity in the yttrium doped compounds. This is
consistent with location at the B sites of yttrium which has
a much smaller backscattering amplitude than cerium. An
alternative explanation could be a larger disorder at the Ce
site in the Y doped compounds.
Figure 1. Fourier transforms of the Ce:L2 edge EXAFS
function for the Ba1-yCe1-xYxO3-δ series.
The XAFS study provided an information on the
local ionic environments in the Ba1-yCe1-xYxO3-δ compounds. The mechanism of Y incorporation into the
Ba1-xCeO3-δ compounds is determined and the point defect
model is proposed for the description of the properties of
the materials.
Acknowledgements: This paper was supported by the Polish
Ministry of Science and Higher Education, Projects No. PBZ/
MEiN/01/2006/57 and R15 019 02.
References
[1] H. Iwahara, T. Esaka, H. Uchida, N. Maeda, Solid State Ionics
34 (1981) 359.
[2] G. Ma, T. Shimura, H. Iwahara, Solid State Ionics 110 (1998) 103.
70
XAFS STUDY OF TiO2-BASED PHOTOELECTRODE MATERIALS
P40
K. Schneider 1*, M. Sikora 1, Cz. Kapusta 1, K. Michalow 2,3, Th. Graule 2,
A. Vital 2, M. Radecka 3, M. Rekas 3, and D. Zajac 4,5
AGH Universty of Science & Technology, Faculty of Physics & Applied Computer Science,
Dept of Solid State Physics, PL-30059 Krakow, Poland
2
EMPA Materials Testing and Research, Lab. For High Performance Ceramics, CH-8600 Dübendorf, Switzerland
3
AGH University of Science & Technology, Faculty of Materials Science & Ceramics, PL-30059 Krakow, Poland
4
Institute of Nuclear Physics PAS, Dept. of Magnetic Resonance Spectroscopy, PL-31342 Krakow, Poland
5
Hasylab at DESY, D22607 Hamburg, Germany
1
Keywords: hydrogen generation, photoelectrochemistry, synchrotron radiation
*) e-mail: krystyna.schneider@agh.edu.pl
The solar light-assisted generation of hydrogen from
water using semiconductor electrode has attracted a growing interest in the search for new environment-friendly energy sources [1] In recent years, the main photo-electrode
candidate has been established to be TiO2 [2]. A disadvantage of TiO2 in the application as the photo-electrode is a
poor absorption of visible light due to its wide energy gap
(ca. 3.2 eV) and losses in recombination processes of the
photo-charge pairs. Several techniques for improving the
photo-response of TiO2 towards visible range have been
proposed. Among them the most promising appears to be
doping by other transition metals like W and Mo into TiO2
crystal lattice. The aim of this work is the study of the
incorporation mechanism of these elements into the TiO2
crystal lattice and their impact on the local structure of
nanocrystalline TiO2 by means of X-ray absorption fine
structure (XAFS) spectroscopy.
Nanoparticle materials of WOx -TiO2 have been synthesized by Flame Spray Synthesis (FSS) process by oxidation
of metal-organics precursors [3]. Titanium tetraiso-propoxide (TTIP) and tungsten hexacarbonyl (THC) dissolved in tetrahydrofuran (THF) were used as a precursor
sources of TiO2 and WO3, respectively. Concentration of
W (0.1 - 1 at%) has been varied by changing experimental
parameters like flow rate or concentration of precursors.
Particle size, phase composition and morphology of the
nanopowders were studied using BET, X-ray diffraction
(XRD) and transmission electron microscopy (TEM), respectively.
The main peak located at about 1.7 Å, which corresponds to oxygen neighbours to a titanium ion reveals a
decrease with increasing doping level. The effect can be
attributed to the increasing amount of oxygen vacancies in
the next neighbour shell to the Ti ions. The peak at about
3.4 Å which corresponds to Ti neighbours also decreases
its intensity with increasing doping, which possibly indicates an increased amount of Ti vacancies. The 0.5% Mo
Figure 1. Fourier transforms of the Ti:K edge EXAFS functions.
doped sample is an exception with a similar amount of Ti
vacancies as in the pristine TiO2.
XAFS study of the TiO2 - based nanomaterials shows
a general tendency of increased amount of oxygen and titanium vacancies on doping with an exception for low Mo
doping which creates oxygen vacancies only.
Acknowledgments: This paper was supported by the Polish
Ministry of Science and Higher Education, Projects no. PBZ/
MEiN/01/2006/57 and R15 019 02.
References
[1] A. Fujishima, K. Honda, Nature 238 (1972) 37.
[2] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, C.C. Sorrell, Int. J. Hydrogen
Energy 27 (2002) 991.
[3] K.K. Akurati, A. Vital, U.E. Klotz, B. Bommer, T. Graule,
M. Winterer, Powder Technol. 165 (2006) 73.
71
P41
PRODUCTION AND STRUCTURAL INVESTIGATION OF POLYETHYLENE
COMPOSITES WITH MODIFIED KAOLIN
L. Domka 1, N. Stachowiak 1, and A. Malicka 1,2
1
Dept. of Organometallic Chemistry, Faculty of Chemistry, Adam Mickiewicz University,
ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań
2
Dept. of Macromolecular Physics, Faculty of Physics, Adam Mickiewicz University,
ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań
Keywords: adhesion, polymer nanocomposite, surface modification
*) e-mail: domkal@amu.edu.pl, malicka@amu.edu.pl, natara@o2.pl
Nanocomposites being two-phase materials made of a
polymer matrix and a filler have enjoyed increasing interest
because of their mechanical properties and great range of
applications. The filler is added in a small amount (1-4%),
and the size of its particles is expressed in the nano scale
(10–9). This feature determines such properties as the shape
of the filler grains, degree of refinement, surface area and
adsorption properties of the filler [1]. A small amount of
the well-dispersed filler improves a number of mechanical
properties of the nanocomposite such as: hardness, impact
resistance, wearing strength, tensile strength and tearing
strength.
The study was undertaken to determine the effect of
kaolin modification with silane adhesion promoters on the
properties of the final polyethylene nanocomposite produced. Kaolin is a hydrophilous mineral used for production of pharmaceuticals, cosmetics, paints and varnishes
[2]. The adsorption properties of kaolin are determined by
the aluminol or silanol groups occurring on its surface [3,
4].
Kaolin KOG from the MARIA III deposit in Nowogrodziec was modified with 3-metacryloxypropylo-trimethoxysilane and characterised [2] by determination of
surface area, bulk density and pore size. The morphology
of its molecules was studied under a scanning electron microscope. The polymer composites containing 3 wt% of the
modified filler were extruded (HDPE Hostalen ACP 5831
D) and characterised. The physico-mechanical properties
of the nanocomposite were determined, its structure was
evaluated on SEM photographs and its FTIR measurements
were made. Synchrotronic study of kaoline is planned.
Figure 1. SEM image of unmodified KOG kaolin.
References
Figure 2. SEM image of KOG kaolin modified with HDPE
[1] A. Krysztafkiewicz, B. Rager, W. Wieczorek, „Methods of the
surface modification of the mineral fillers of plastics”, Fizykochem. Probl. Mineralogii 30 (1996) 107-117 (in Polish).
[2] L. Domka, A. Malicka, „The effect of kaolin surface modification on the properties of rubber blends”, Chemia w
zrównoważonym rozwoju (2006) 127-131 (in Polish).
[3] L. Domka, A. Morawska, W. Urbaniak, Pat. PL 191851 B1
(2006).
[4] L. Domka, W. Urbaniak, A. Morawska, Pat. PL 190802 B1
(2006).
72
CHARGE DENSITY WAVES AND SUPERCONDUCTIVITY IN ZrTe3
P42
P. Starowicz 1,2*, C. Battaglia 2, F. Clerc 2, A. Prodan 3, L. Despont 2,
H.J.P. van Midden 3, A. Szytuła 1, M.G. Garnier 2, and P. Aebi 2
1
M. Smoluchowski Institute of Physics, Jagiellonian University, ul. Reymonta 4, 30-059 Kraków, Poland
2
Institute de Physique, Université de Neuchâtel, A.-L. Breguet 1, CH-2000 Neuchâtel, Switzerland
3
Institute Jožef Stefan, Jamova 39, SI-1000 Ljubljana, Slovenia
Keywords: Fermi surface: calculations and measurements, charge-density-wave systems, angle resolved photoelectron
spectroscopy, density functional theory calculations
*) e-mail: pawel.starowicz@uj.edu.pl
ZrTe3 is a layered compound in which quasi one-dimensional sublattices are formed along both a and b crystallographic directions. The system exhibits a transition to
a charge density wave (CDW) phase at 63 K [1] and to superconductivity at 2 K [2]. Recent studies [3] revealed that
for growing pressure to about 1 GPa CDW is enhanced
while superconductivity disappears. For very high pressures a reentrant superconductivity appears and CDW is
suppressed. The previous band structure calculations predicted a nesting property of the Fermi surface (FS) [4, 5].
The electronic structure of ZrTe3 was investigated
by means of angle-resolved photoelectron spectroscopy
(ARPES) [6]. FS was scanned by measuring intensity
corresponding to the Fermi energy for various azimuthal and polar angles (Fig. 1). The existence of the nested
parts was confirmed experimentally. Moreover, spectral
intensity related the nested FS branches decreases with
lowered temperature, what is observed in a region of the
wave vector kF1. The energy distribution curves recorded
for kF1 (Fig. 2a) exhibit opening of a pseudogap below 250
K, what is in a qualitative agreement with a previous experimental report [7]. The pseudogap is well visible in the
symmetrized spectra (Fig. 2b).
Figure 1. Fermi surface mapping for ZrTe3 performed
with hν = 21.2 eV radiation at room temperature [6].
In order to investigate high pressure phenomena observed in ZrTe3 [3], we studied FS, which was calculated
with the Wien2k package for a simulated high pressure
crystal structure. To quantify the nesting properties a static susceptibility (χ) was determined. The peak in χ corresponding to the nesting vector is larger at pressure of 2
GPa and diminishes for higher pressures, what explains
the high pressure behavior of the system.
References
[1] D.J. Eaglesham, J.W. Steeds, J.A. Wilson, J. Phys. C: Solid
State Phys. 17 (1984) L697.
[2] H. Nakajima, K. Nomura, T. Sambongi, Physica B. 143
(1986) 240.
[3] R. Yomo, K. Yamaya, M. Abliz, M. Hedo, Y. Uwatoko, Phys.
Rev. B 71 (2005) 132508.
[4] K. Stöwe, F.R.Wagner, J. Solid State Chem. 138 (1998) 160.
[5] C. Felser, E.W. Finckh, H. Kleinke, F. Rocker, W. Tremel, J.
Mater. Chem. 8 (1998) 1787.
[6] P. Starowicz, C. Battaglia, F. Clerc, L. Despont, A. Prodan,
H.J.P van Midden, U. Szerer, A. Szytuła, M.G. Garnier, P.
Aebi, J. Alloys Compd. 442 (2007) 268-271.
[7] T. Yokoya, T. Kiss, A. Chainani, S. Shin, K. Yamaya, Phys.
Rev. B 71 (2005) 140504.
Figure 2. Energy distribution curves obtained at the wave vector kF1 (a)
- as measured and (b) - after symmetrization.
73
P43
SAXS STUDIES OF DPPC-CATIONIC SURFACTANT SYSTEM
K. Szpotkowski 1*, M. Kozak 1, L. Domka 2, S. Jurga 1
1
2
Department of Macromolecular Physics, A. Mickiewicz University, ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań, Poland
Department of Metalorganic Chemistry, A. Mickiewicz University, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, Poland
Keywords: DPPC, SAXS, phospholipid, synchrotron radiation
*) e-mail: kamilsz@amu.edu.pl
Phospholipids are the main components of biological
membranes and they have been used in different models of
membranes since the early seventies [1]. These compounds
are able to self-organize in an ionic medium. Phospholipids in water solution can make micelles and less or more
complicated vesicles [2]. In mixtures of phospholipids with
short and long acyl chain or phospholipids with surfactant
the phospholipids can form bicelles, which are intermediate
forms between bilayer and vesicle [3-5]. Bicelles have a discoidal shape, with the phospholipids with long acyl chains
in the core of this disc, and those with short acyl chain or
surfactants in the margin of the bicelle. The best recognised
bicellar system is the solution of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero3-phosphocholine and 1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC/DHPC) [6].
Figure 1. SAXS curves recorded for different DPPC and
DPPC-GEM systems (T = 20ºC).
The aim of the study was to analyze the influence of
a new “Gemini” type surfactant (GEM) on the structure
of DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) in
water solution.
References
[1] C.R. Sanders, R.S. Prosser, „Bicelles: A model membrane system for all seasons?”, Structure 6 (1998) 1227-1234.
[2] W.K. Chan, W.W. Webb, „Possible martensitic transformation
in hydrated phospholipid liquid crystals”, Phys. Rev. Lett. 46
(1981) 39-42.
[3] A.A. Seddon, P. Curnow, P.J. Booth, „Membrane proteins, lipids and detergents: not just a soap opera”, Biochim. Biophys.
Acta-Biomembr. 1666 (2004) 105-117.
[4] A. Csiszar, E. Klumpp, A. Bota, K. Szegedi, „Effect of 2,4dichlorophenol on DPPC/water liposomes studied by X-ray
and freeze-fracture electron microscopy”, Chem. Phys. Lip.
126 (2003) 155 -166.
[5] S. Cavagnero, H.J. Dyson, P.E. Wright, „Improved low pH
bicelle system for orienting macromolecules over a wide temperature range”, J. Biomolec. NMR 13 (1999) 387-391.
[6] C.R. Sanders, J.P. Schwonek, „Characterization of magnetically orientable bilayers in mixtures of dihexanoylphosphatidylcho-line and dimyristoylphosphatidylcholine by solid-state
NMR”, Biochem. 31 (1992) 8898 -8905.
[7] M.H.J. Koch, J. Bordas, „X-ray diffraction and scattering on
disordered systems using synchrotron radiation”, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. 208 (1983) 461-469.
[8] J. Bolze, T. Fujisawa, T. Nagao, K. Norisada, N. Saito, A.
Naito, „Small angle X-ray scattering and 31P NMR studies on
the phase behavior of phospholipid bilayered mixed micelles”,
Chem. Phys. Lett. 329 (2000) 215-220.
All SAXS measurements presented were made at the
Deutsche Electronen Synchrotron (DESY) in Hamburg on
the X33 beamline line (EMBL Outstation) [7]. The phospholipid samples to be studied were placed in thermostated
cells of 100 μl in capacity. The distance between the sample
and the detector was 2.4 m, which permitted recording data
in the range 0.12 > s > 5 nm-1. The detector was an image
plate scanner Mar345 (MarResearch, RFN).
The SAXS pattern of the system DPPC/GEM presented
in Fig. 1, revealed a characteristic broad maximum, which
is a typical feature of single phospholipid bilayers in the
absence of stacking. The observed scattering patterns are
very similar to those reported for the bicellar DMPC/DHPC
mixtures at the molar ratio 2.8:1 [8].
Education and Science (grant No. 3T09A 05027). The data collection at DESY Hamburg was supported by Integrating Activity
on Synchrotron and Free Electron Laser Science to the EMBL
Hamburg Outstation, contract number: RII3-CT-2004-506008.
74
THE SAXS AND RHEOLOGICAL STUDIES
OF HEWL AMYLOID FORMATION
P44
M. Kozak 1, G. Ślósarek 2, and A. Szymańska 2
1
Department of Macromolecular Physics, A. Mickiewicz University, ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań, Poland
2
Department of Molecular Biophysics, A. Mickiewicz University, ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań, Poland
Keywords: lysozyme, HEWL, rheology, SAXS
*) e-mail: mkozak@amu.edu.pl; leonardo@amu.edu.pl
Hen egg white lysozyme (HEWL) is closely related to
the human lysozyme, so extensive study of HEWL in different conditions is expected to be of interest for medical
science as it should contribute to understanding the mechanism of amyloid formation.
A tendency towards the amyloid aggregations formation
is a generic property of all polypeptides but its mechanism
has not been recognized yet. Furthermore, amyloid fibril
formation has been observed under different conditions
described by such: pH, temperatures, pressure, ethanol
solution of different concentrations [1-5].In this study the
aggregation and denaturation processes of HEWL initiated
by the presence of ethanol molecules have been studied by
SAXS and rheological methods. SAXS studies were carried out on the EMBL SAXS-WAXS beamline X33 at the
DORIS storage ring of the Deutsches Electronen Synchrotron (Hamburg, Germany) using a MAR-345 image plate
detector.
The measurements were performed within the scattering vector s ranging from 0.15 to 5 nm-1. All experiments
were performed at 17°C. Figure 1 presents exemplary SAXS
curves recorded for different concentrations of ethanol.
At low ethanol concentrations no drastic changes in
viscosity of the protein have been observed (below 60%
v/v). On addition of 85% v/v ethanol solution the protein
viscosity has been dramatically increased. The rheological
data have shown that the lysozyme solution remains a newtonian fluid until the ethanol concentration reaches 80% (v/
v). When the ethanol concentration is increased above 80%
(v/v) a typical non-newtonian pseudoplastic behaviour of
lysozyme is observed, probably indicating the aggregation
and orientation of the protein molecules in the solution. The
structure of the aggregates is analysed from the very beginning of the aggregation process at low ethanol concentra-
Figure 1. SAXS curves recorded for mixtures of HEWL
with ethanol.
tion until the last structural stage of HEWL.
Acknowledgements: The data collection at DESY Hamburg was
supported by Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science to the EMBL Hamburg Outstation, contract
number: RII3-CT-2004-506008.
References
[1] S. Goda, K. Takano, Y. Yamagata, R. Nagata, H. Akutsu, S.
Maki, K. Namba, K. Yutani, Protein Sci. 9 (2000) 369-375.
[2] Y. Yonezawa, S. Tanaka, T. Kubota, K. Wakabayashi, K. Yutani, S. Fujiwara, J. Mol. Biol. 323 (2002) 237-251.
[3] S. Fujiwara, F. Matsumoto, Y. Yonezawa, J. Mol. Biol. 331
(2003) 21-28.
[4] M.L. Anson, A.E. Mirsky, J. Gen. Physiol. 15 (1931) 341-350.
[5] E.P.G. Areas, J.A.G. Areas, J. Hamburger, W.L. Peticolas, P.S.
Santos, J. Coll. Inter. Sci. 180 (1996) 578-589.
75
P45
IN SITU STUDIES OF THE ARAGONITE-CALCITE TRANSITION
IN MINERAL AND BIOGENIC MATERIALS
D. Wardecki 1, R. Przeniosło 1, J. Stolarski 2, M. Mazur 3, and M. Brunelli 4
2
1
Institute of Paleobiology, Polish Academy of Sciences, ul. Twarda 51/55, PL-00-818 Warsaw, Poland
3
Department of Chemistry, Laboratory of Electrochemistry, University of Warsaw,
ul. Pasteura 1,PL 02-093 Warsaw, Poland
4
European Synchrotron Radiation Facility, BP220, F-38043 Grenoble, France
Keywords: biomaterials, corals, CaCO3, phase transitions, synchrotron radiation, diffraction
The biogenic minerals (biominerals) show several unusual properties in comparison with their geological and
synthetic counterparts. Our previous studies [1] brought preliminary data concerning the aragonite to calcite phase transition in biogenic and mineral CaCO3. This study is aimed at
providing more details on the temperature constraints of the
mineral phase transition and internal strains of the biomineral and mineral aragonite samples.
The structural changes and microstructural properties of
aragonite transformed to calcite were investigated by high
resolution synchrotron radiation powder diffraction. In situ
SR diffraction studies performed with biogenic samples
extracted en-bloc (undisturbed; scleractinian coral Desmophyllum ingens) and after pulverization show that the aragonite-calcite phase transition occurs at different temperatures
for biogenic pulverized (280ºC), biogenic en-bloc (360ºC),
and geological (450ºC) samples. There are also important
differences of the thermal expansion: the lattice parameters
and thermal expansion coefficients of the biogenic en-bloc
sample are considerably smaller than those of the biogenic
pulverized and mineral samples.
The aragonite to calcite transition increases the internal
strains in all samples irrespective of their origin (biogenic,
mineral or synthetic). The resulting internal strains are similar
in all studied aragonite transformed to calcite samples. The
strain along the c-axis is always larger than that along directions perpendicular to the c-axis. The internal strains observed
in mineral calcite before and after annealing are about 3 to 5
times smaller than in those observed in all annealed aragonite
samples. There is no such a difference of strain values in different directions in mineral calcite. The annealing of mineral
calcite does not induce a large strain increase.
Acknowledgements: We acknowledge the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, France) for provision of
synchrotron radiation facilities. Financial support was provided
by the Ministry of Science and Higher Education (Poland), within
project No. 155/ESR/2006/03.
References
[1] J. Stolarski, R. Przeniosło, M. Mazur, M. Brunelli, J. Appl.
Crystallogr. 40 (2007) 2-9.
76
P46
APPLICATION OF BACK-REFLECTION TOPOGRAPHIC METHODS
FOR IDENTIFICATION OF DISLOCATIONS IN 6H AND 4H SiC CRYSTALS
W. Wierzchowski 1*, K. Wieteska 2, T. Balcer 1, A. Malinowska 1,3, W. Graeff 4, and W. Hofman 1
Institute of Electronic Materials Technology, 01-919 Warsaw, Poland
2
Institute of Atomic Energy, 05-400 Otwock-Świerk, Poland
3
Faculty of Physics Warsaw University of Technology, 00-662 Warsaw, Poland
4
HASYLAB at DESY, Notkestr.85, 22603 Hamburg, Germany
1
Keywords: silicon carbide, X-ray diffraction topography, dislocation
*) e-mail:wierzc_w@itme.edu.pl
SiC crystals of high structural perfection were investigated with several methods of X-ray diffraction topography
in Bragg-case geometry. The methods included section and
projection synchrotron white beam topography and monochromatic beam topography. The investigated 6H and 4H
samples contained in large regions the dislocations of density not exceeding 103 cm-2. Most of these dislocations cannot be interpreted as hollow core dislocations (micro- or
nano-pipes). The concentration of the latter was lower than
102 cm-2.
The present investigation confirmed the possibility of
revealing dislocations with all used methods. The images
of dislocation in synchrotron multi-crystal arrangement
consisted of characteristic rosettes with a “tail” coming
from the dislocation core, while single crystal projection
topographs provided the images of dislocation in form of
characteristic dots or commas and section images reproduced the dislocations in form of black rosettes.
The quality of presently obtained Bragg-case multicrystal and section images of dislocation enabled analysis
based on comparison with numerically simulated images.
The analysis confirmed the domination of screw-type dislocations in the investigated crystals.
Figure 1. Monochromatic beam topograph of 4H sample
with low dislocation density taken in 00·4 reflection of
0.1115 nm.
References
[1] W. Wierzchowski, K. Mazur, K. Wieteska, J. Phys. D 28
(1995) A33.
[2] W. Wierzchowski, K. Wieteska, W. Graeff, J. Phys. D 33
(2000) 1230.
[3] T. Bedynska, phys. stat. sol. (a) 18 (1973) 147.
[4] S.J. Shaibani, P.M. Hazzledine, Philos. Mag. A 44 (1981) 657.
Acknowledgements: The present work was supported from the
State Committee for Scientific Research (grant 3 T10C 022 29).
Figure 2. Simulated monochromatic beam topographic images for screw dislocations with two different signs of the Burgers vector
for the low angle flank of the rocking curve. The simulated images are similar to the images of dislocations observed in the right
hand region of the topograph shown in Fig. 1.
77
P47
X-RAY TOPOGRAPHIC STUDIES OF DEFECT STRUCTURE
IN YVO4 CRYSTALS
K. Wieteska 1*, W. Wierzchowski 2, E. Wierzbicka 2,3, A. Malinowska 2,4,
M. Lefeld-Sosnowska 3, T. Łukasiewicz 2, and W. Graeff 5
Institute of Atomic Energy, 05-400 Otwock-Świerk, Poland
Institute of Electronic Materials Technology, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warsaw, Poland
3
Institute of Experimental Physics, University of Warsaw, ul. Hoża 69, 00-681 Warsaw, Poland
4
Faculty of Physics, Warsaw University of Technology, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warsaw, Poland
5
HASYLAB at DESY, Notkestr. 85, 22-603 Hamburg, Germany
1
2
Keywords: YVO4 crystals, crystallographic defects, X-ray diffraction topography
*) e-mail: k.wieteska@cyf.gov.pl
Yttrium orthovanadate crystals (YVO4) are modern
material in laser technology replacing formerly used YAG
garnets due to higher quantum efficiency and lower excitation level. It is especially useful in micro laser systems
excited with semiconductor laser diodes. YVO4 is of zirconium tetragonal structure with space group D4h and lattice parameter a = b = 0.712 nm and c = 0.629 nm. Up to
our best knowledge no topographic investigation of YVO4
crystals was described in the literature. Some recent results
concerning growth of YVO4 are described in [1-4].
In the present work a number of samples cut out from
a Czochralski grown YVO4 crystals were studied with a
number of X-ray topographic methods exploring both synchrotron and conventional X-ray sources. The synchrotron
investigations were performed both in white and monochromatic X-ray beam. All topographs were obtained in
back reflection geometry.
The topographs obtained with all used methods did not
reveal any segregation fringes proving high homogeneity
of chemical composition. The topographs revealed a relatively high density (< 104 cm-2) of weak point like contrasts
which can be most probably interpreted as dislocation outcrops. In some regions of the crystal close to its boundary
we observed also a glide bands as it may be seen in Fig. 1. It
was also found that in some regions the dislocation forms a
local subgrain boundaries. A complicated structure of subgrain boundaries may be seen in Fig. 2.
The misorientation of lattice connected with these
boundaries was studied in a number of synchrotron monochromatic beam experiment in multicrystal arrangement
consisting on taking a number of pictures for stepwise
changed angular position. This experiment allowed the
evaluation of misorientation in the range not exceeding single angular minutes.
Figure 1. White beam topograph of the sample of YVO4 revealing dislocation outcrops, glide bands (located mainly
in right side) and subgrain boundary on the left.
Figure 2. Complicated subgrain boundary structure revealed by white beam topograph in the sample cut out from
another part of the crystal.
References
[1] S. Wu, G. Wang, J. Xie, X. Wu, G. Li, J. Cryst. Growth 249
(2003) 176-178.
[2] H. Zhang, Y. Yu, Y. Cheng, J. Liu, H. Li, W. Ge, X. Cheng, X.
Xu, J. Wang, M. Jiang, J. Cryst. Growth 283 (2005) 438-443.
[3] Y. Yu, Y. Cheng, H. Zhang, J. Wang, X. Cheng, H.
Xia, Mater. Lett. 60 (2006) 1014-1018.
[4] S. Wu, G. Wang, J. Xie, X. Wu, G. Li,. J. Cryst. Growth
249 (2003) 176-178.
78
P48
XANES STUDIES OF Mn K AND L3/2 EDGES IN THE (Ga,Mn)As LAYERS
MODIFIED BY HIGH-TEMPERATURE ANNEALING
A. Wolska 1*, I.N. Demchenko 1, K. Lawniczak-Jablonska 1, M. Klepka 1,
J. Sadowski 1, E. Holub-Krappe 2, A. Persson 3, and D. Arvanitis 3
Institute of Physics PAS, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
Hahn-Meitner Institute, Department of Magnetism, Glienicker Str. 100, D-14109 Berlin, Germany
3
Physics Department, Uppsala University, Box 530, 75121 Upssala, Sweden
1
2
Keywords: XANES, GaMnAs, nanoclusters
*) e-mail:wolska@ifpan.edu.pl
We attempt to address here an actual question facing
material scientists today, namely novel materials for devices explicitly utilizing the electron spin for microelectronic
applications. Among many, GaMnAs is commonly considered as a promising material for such applications. Mn ions
with atomic spins of 5/2 partially replacing Ga atoms in
the GaAs host lattice are ferromagetically coupled below
a critical temperature, due to the exchange interactions between spins of Mn and valence band holes, constituting a
homogenuous diluted ferromagnetic system. Most of the
studies on this compound were devoted to the uniform ternary alloy which is a diluted ferromagnetic semiconductor; however it is fairly easy to obtain GaMnAs samples
containing precipitations of ferromagnetic MnAs. These
precipitations were usually considered as a major drawback. However, since MnAs is a metallic ferromagnet with
Curie temperature of about 318 K, it is possible to prepare
the GaAs:MnAs system in such a way that small ferromagnetic nanoparticles are immersed in the semiconductor host
lattice. Such a composite material could be considered as
a good semiconductor filled with nanomagnets providing
a built-in magnetic field at room temperature. These na-
nomagnets are MnAs clusters that can be produced from a
single-phase GaMnAs material by the post-growth annealing at temperatures higher than 500°C. We focus here on
the atomic and electronic structure of the Mn atoms relating to the cluster formation. The changes in the electronic
structure of Mn, Ga and As atoms in (Ga,Mn)As layers after high temperature annealing were determined by x-ray
absorption near edge spectroscopy (XANES). The L edges
of Mn, Ga and As were measured at MAX-lab, beamline
D1011 and the K edge of Mn at HASYLAB, A1 station. The
experimental spectra were compared with the predictions of
the ab initio full multiple scattering theory (FEFF 8.4 code).
The nominal concentration of the Mn atoms in the investigated samples was 6%, therefore we do not observe changes
in the electronic structure of Ga and As. However, we report
of considerable changes found in the case of the Mn atoms.
Acknowledgements: This work was partially supported by national grant of Ministry of Science and High Education N202052-32/1189 as well as by DESY, MAX-lab and the European
Community under Contract RII3-CT-2004-506008 (IA-SFS).
79
P49
SMALL ANGLE X-RAY SCATTERING STUDY
OF SELECTED DIBLOCK COPOLYMERS
M. Kozak 1, S. Wołoszczuk 1, M. Banaszak 1, and M. Radosz 2
2
1
Institute of Physics, A. Mickiewicz University, ul. Umultowska 85, 61-614 Poznan, Poland
Department of Chemical and Petroleum Engineering, University of Wyoming, Laramie, WY 82071-3295, USA
Keywords: diblock copolymer melts, SAXS, structure, synchrotron radiation
*) e-mail: mkozak@amu.edu.pl; mbanasz@amu.edu.pl
Block copolymers can self-assemble into a variety of
ordered microstructures and have been extensively studied
in recent years [1-5]. Such ordered structures, known as microphases or mesophases, are characterized by the length
from a few to a few tens of nanometers.
The study was undertaken to establish the structure of
block copolymers based on poly(styrene)-b-poly(butadiene))
(PS/PBD) and in particular that of the system P953-SBd
(PS/PBD = 5400 : 5350) by the small angle X-ray scattering
(SAXS) method.
SAXS data were collected on the X33 beamline (EMBL)
at the DORIS storage ring of the Deutsches Electronen Synchrotron (Hamburg, Germany) using a MAR-345 image
plate as a detector. The sample-to-detector distance was 2.2
m which leads to the scattering vector s ranging from 0.15
to 5 nm-1 (where s = 4πsinθ/λ, 2θ is the scattering angle
and λ = 0.15 nm is the synchrotron radiation wavelength).
Measurements were made at 17ºC.
The SAXS curve recorded for P953-SBd and shown
in Fig. 1, corresponds to the lamellar phase. The lattice
constant of the lamellar phase determined from the SAXS
curve is d001=11.6 nm.
Structural factors characterising the diblock copolymer
melt can be calculated using the random phase approximation (RPA) for Gaussian chains. We have used the calculated structural factors to interpret the experimental scattering data for a variety of poly(styrene)-b-poly(butadiene))
melts. In particular, we have determined the order-disorder
transition temperatures for selected sample from the SAXS
scattering intensity.
Figure 1. The SAXS pattern recorded for P953-SBd
copolymer.
Education and Science (grant No. N202 098 32/2495). The data
collection at DESY Hamburg was supported by Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science to the EMBL
Hamburg Outstation, contract number: RII3-CT-2004-506008.
References
[1] G.H. Fredrickson, V. Ganesan, F. Drolet, Macromolecules 35
(2002) 16-39.
[2] A.K. Khandpur, S. Forster, F.S. Bates, I.W. Hamley, A.J.
Ryan, W. Bras, K. Almdal, K. Mortensen, Macromolecules
28 (1995) 8796-8806.
[3] H. Watanabe, Macromolecules 28 (1995) 5006-5011.
[4] T. Pakula, K. Karatasos, S.H. Anastasiadis, G. Fytas, Macromolecules 30 (1997) 8463-8472.
[5] S. Woloszczuk, M. Banaszak, S. Jurga, T. Pakula, M. Radosz,
J. Chem. Phys. 121 (2004) 12044-12049.
80
A SYNCHROTRON STUDY OF HIGH DIMENSIONAL
CYANO-BRIDGED NETWORKS OF 3d,4d-5d ELEMENTS
P50
D. Zając 1,2*, D. Chylarecka 3, Cz. Kapusta 3, R. Podgajny 4,
B. Sieklucka 4, A. Rothkirch 1, and A. Webb 1
Hasylab at DESY, Notkestrasse 85, 22607 Hamburg, Germany
Dept. of Magnetic Resonance Spectroscopy, H. Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics PAN,
ul. Radzikowskiego 172, 31-342 Krakow, Poland
3
Dept. of Solid State Physics, Faculty of Physics and Applied Computer Sciences,
AGH-University of Mining and Metallurgy, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland
4
Faculty of Chemistry, Jagiellonian University, ul. Ingardena 3, 30-060 Krakow, Poland
1
2
Keywords: molecule-based magnetism, photomagnetism, XANES, EXAFS, XRD
*) e-mail: kicaj@mail.desy.de
The coordination networks based on 3d-metal centres
and octacyanometalates revealing long-range magnetic ordering are one of the most attractive topics in the field of
photochemistry and magnetism for the last 20 years. The
advantages of molecular-based magnets comparing with
classical metal and metal-oxide are that the magnets can
be obtained through a selection of proper spin source (e.g.
transition metal ions, organic radicals) and coordinating
ligands. The possibility of the optical control of magnetism, as a change of the electron spin state of the material,
is very interesting for the new applications in the industry. Several approaches including the direct combination of
building blocks, the use of assisting organic molecules as
bridging ligand or counterions as well as electrochemical
synthesis have been applied to the construction of 2-D and
3-D coordination networks [1-4].
In this work we present our recent synchrotron study
of the (dienH3){CuII3[W V(CN)8]3}·4H2O (denoted as sample
A, dienH33+ - fully protonated form of diethylenetriamine)
network and {CuII3[W V(CN)8}•H2O (denoted as sample B)
network, which is derived from the sample A converted by
the treatment with aqueous solution of electrolytes on the
powder sample. Both networks were fully characterized by
powder X-ray diffraction.
The experiments have been carried out in Hasylab @
DESY. XAFS measurements at beamlines E4 (Cu: K edge)
and A1, X1 (W L edges), and diffraction measurements at
G3 beamline were done.
XANES spectra at the Cu K edge and W L3 edge show
the unchanged ionic state of copper and a small increase of
the average oxidation degree of tungsten for sample B, see
Fig. 1. XRD experiments show different long range structures of both compounds, as well as a change of the intensity of some peaks during crossing the Cu K edge energy,
see Fig. 2.
An analysis of the EXAFS spectra together with the diffraction results will be presented and the relation of local
electronic and structural properties to the bulk properties
of the compounds will be discussed.
Figure 1. XANES spectra at W L3 edge for samples A
Figure 2. XRD spectra below and above the Cu K edge for the
samples A and B.
References
[1] Sh. Ohkoshi, K. Hashimoto, J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 2 (2001) 71.
[2] L. Catala, C. Mathoniere, A. Gloter, O. Stephan, Th. Gacoin,
J.-P.Bailot, T. Mallah, Chem. Commun. (2005) 746.
[3] R. Podgajny, T. Korzeniak, M. Balanda, T. Wasiutynski, W.
Errington, T.J. Kemp, N.W. Alcock, B. Sieklucka, Chem.
Commun. (2002) 1138.
[4] T. Korzeniak, R. Podgajny, N.W. Alcock, K. Lewinski, M.
Balanda, T. Wasiutynski, B. Sieklucka, Polyhedron 22 (2003)
2183.
81
P51
STRUCTURAL MODIFICATION OF POLY(METHYL METHACRYLATE)
BY SINGLE FEMTOSECOND PULSE
D. Klinger 1*, R. Sobierajski 1, R. Nietubyć 1a, J. Krzywiński 1b, J. Pełka 1,
M. Jurek 1, D. Żymierska 1, S. Guizard 2, and H. Merdji 2
Institute of Physics, PAS, Al. Lotników 32/46, PL 02-668 Warsaw, Poland
CEA Saclay, Service Photons Atomes et Molécules, CEA, DSM, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
1
2
Keywords: Laser ablation, PMMA, Surface modification
*) e-mail: kling@ifpan.edu.pl
The interaction of short pulses with polymers has attracted much interest for several years. Laser ablation is
a promising tool to cause of the structural changes in the
inner structure of the irradiated layers and to create microstructures on the surface of the ablated areas [1-5].
Polymer materials have several advantages, such as their
low cost and fact, that they easy can be doped with various
ions. Three polymers, i.e. triazene polymer, a polyimide
and poly(methylmathacrylate) (PMMA) were selected to
study the influence of the ablation mechanism on the surface changes. Various aspects of the ablation mechanism
and laser processing in general have been discussed in current reviews [6, 7].
We present a study of the morphology of structural
changes produced in PMMA by focusing single 20 fs, 800
nm laser pulses. Using the interferometry - polarizing microscope the structural changes in PMMA are in the form
of cracks or ripples (see Fig. 1).
We demonstrate an analysis of the electron and ion
emission from ablated areas. Various aspects of the ablation mechanism of polymethacrylate are discussed.
Figure 1. Microscopic image with Nomarski contrast of
PMMA surface (150 μm×200 μm). Characteristic morphological structures created after femtosecond laser ablation
are visible.
[3] S. Sowa, W. Watanabe, J. Nishi, K. Itoh, Appl. Phys. A 81
(2005) 1587-1590.
[4] J. Krueger, S. Martin, H. Madebach, L. Urech, T. Lippert, A.
Wokaun, W. Kautek, Appl. Surf. Sci. 247 (2005) 406-411.
[5] M. Hauer, T. Lippert, A. Wokaun, Appl. Phys. A 79 (2004)
1215-1218.
[6] T. Lippert, J.T. Dickinson, Chem. Rev. 103 (2003) 453-456.
[7] D. Bauerle, Laser processing and Chemistry (Springer, Berlin
2000).
References
[1] S. Serafetinides, M.I. Makropoulou, C.D. Skordoulis, A.K.
Kar, Appl. Surf. Sci. 180 (2001) 42-56.
[2] J. Bonse, S.M. Wiggins, J. Solids, T. Lippert, Appl. Surf. Sci.
247 (2005) 440-446.
(a) Present address: Andrzej Soltan Institute for Nuclear Studies, 05-400 Świerk, Poland
(b) Present address: Lawrance Livermore National Laboratory, Livermore, CA 94550, USA
82
P. Grochulski: Are the bending magnet beamlines appropriate for protein crystallographers? /
ARE THE BENDING MAGNET BEAMLINES APPROPRIATE
FOR PROTEIN CRYSTALLOGRAPHERS?
Pawel Grochulski
Canadian Light Source, University of Saskatchewan, 101 Perimeter Road, Saskatoon, SK S7N 0X4, Canada
Insertion device (ID) and bending magnet (BM) protein crystallography beamlines are compared for their usefulness to
protein crystallographers, using as an example the Canadian Macromolecular Crystallography Facility at the Canadian
Light Source. The ID beamline is concluded to be more appropriate to study small, poorly diffracting crystals with large
unit cells, whereas the BM beamline is valuable for collecting diffraction data from an average protein crystal of about
100 μm in size having cell dimensions no larger than 400 Å.
1. Introduction
Recently, small and poorly diffracting crystals with large
cell dimension (>400 Å) have started appearing on synchrotron beamlines. Third-generation synchrotrons have
allowed for the design of more powerful third-generation
beamlines. The definition of a protein crystallography
third-generation beamline is somewhat arbitrary but one
can specify it as a beamline where a monochromatic experiment is completed within 60 minutes or a multi-wavelength
experiment is completed between 1 to 6 hours. The new
third-generation beamlines can generate plenty of photons,
so the exposure time is normally about 1 second; however
transfer of data, readout of detector, and synchronization of
the shutter still have large contributions and are estimated
to be a factor of two or three with respect to the average
exposure time. Other factors that substantially enhance the
efficiency of a beamline are automated crystal loading and
centering of the crystals.
Parameters that characterize a beamline are photon flux,
emittance of source, brilliance, flux density, and photon energy resolution usually expressed in the energy bandwidth
of the monochromator. The flux is defined as the number
of photons per second per bandwidth (BW) and the bandwidth is usually quoted as 0.1% (i.e. ΔE/E = 10 -3). For thirdgeneration hard X-ray sources, flux levels from undulators
are typically of the order of 1014 to 1015 photons/s/0.1% BW
over the range from 5 to 20 keV. The emittance of source
is defined as a product of source size and divergence and is
given separately in horizontal and vertical plane, respectively. The emittance of source is determined by the convolution of the emittance of the electron beam circulating in
the storage ring, and emittance of the photon beam for the
passage of a single electron through the source path that is
visible to the observer. Emittance is conserved along the
beamline. Consequently, for a source with large emittance,
it is not possible to get a small beam size as well as a small
divergence at the focus. The brilliance is defined as photons/s/0.1%BW/mm 2/mrad 2 and is equal to the flux divided
by a product of emittance in horizontal and vertical planes.
The brilliance usually ranges from 1018 to 1020 photons/
s/0.1%BW/mm 2/mrad 2. Flux levels from bending magnets
(including superbends and wigglers) are typically of the order of 1012 to 1013 photons/s/0.1%BW and a brilliance range
of 1014 to 1015 photons/s/0.1%BW/mm 2/mrad 2 for the same
energy range. Flux density is defined as a flux deposited on
the surface area of a crystal at the focus. The photon energy
resolution is determined by the crystals of a monochromator. These crystals are most commonly fabricated from
silicon due to its availability and excellent thermal properties. Although Si(111) crystals are used most frequently,
beamlines located at a very brilliant sources sometimes
use Si(220) crystals to further reduce the bandwidth of the
monochromator. For example at energy of 10 keV the bandwidths of the Si(111) and Si(220) crystals are of 1.2×10 -4 and
5.5×10 -5, respectively. The smaller bandwidth of Si(220)
crystal helps to detect more precisely edges of anomalous
scatterers for performing multiwavelength anomalous diffraction (MAD) experiments. In recent years diamond has
become a popular alternative, due to the fact it has the highest thermal conductivity of any solid, with low absorption.
Protein crystallographers typically want a beam with a
small emittance of source i.e. a small X-ray photon beam
size to match their small crystals, as well as a small X-ray
beam divergence at the crystal, since a smaller divergence
of the beam at the sample will produce a smaller diffraction
spot on the detector. With adequate X-ray optics, a small
beam size at the crystal position can be accomplished either
from a bending magnet or undulator. However, obtaining
a small divergence of beam at the same time requires the
source to have a large brilliance. In the case of extremely
small crystals, of the order of 5 - 20 μm, a micro-focusing
undulator beamline is most appropriate. Building a microfocusing beamline requires a synchrotron facility with a
low electron emittance (< 5 nm×rad). The ID13 beamline at
European Synchrotron Radiation Facility is an example of
such a beamline.
In general, the decision as to which beamline is appropriate for a given diffraction experiment can be made
on the basis of the following inequality, which relates the
crystal to detector distance (L), to the synchrotron radiation
wavelength (λ), maximum cell dimension (a), size of the
crystal (s) and beam divergence at the sample (δ).
L > s/((λ/a) - δ)
(1)
It was derived from the assumption that the spot spacing
on a detector must be bigger than the spot sizes in order to
resolve them [1]. As the detector moves towards the sample
the angle (2Θmax) captured by the detector increases allowing higher resolution reflections to be captured at the edge
of the detector (D/2), where D is the size of a detector. Resolution is defined as the d-spacing that according to Bragg’s
83
law corresponds to the angle at the edge of the detector.
2dminsinΘmax = nλ
and the sharp rocking curve widths of the Bragg reflection
occur because of massive scattering overlap from the individual unit cells. These assumptions do not hold when
the number of unit cells along one dimension of the crystal
becomes smaller than about 1000, so crystals with fewer
than 10003 unit cells will display broadened reflection profiles. For example, for a cell dimension of 100 Å, the limit
on the crystal size would be 10 µm. Crystals smaller than
that would likely have their rocking curves broadened and
diffract poorly [7].
(2)
The resolution as a function of the wavelength and the
crystal to detector distance are given in the following equations:
dmin = λ /(2(sin((arctan(D/2L)))/2)
(3)
L = (D/2)/(tan(2arcsin(λ/2dmin)
(4)
3. Introduction to the Canadian Light Source
The Canadian Light Source (CLS), located at the University of Saskatchewan, is a 2.9 GeV third-generation synchrotron facility. The CLS consists of a 250 MeV electron
Linac, a booster to bring the electron beam energy to 2.9
GeV, and the storage ring, which is designed to operate at a
current of up to 500 mA. The ring currently operates with a
current of 250 mA - in order to bring it to 500 mA a second
superconducting RF cavity has to be installed in the storage ring. The ring’s specifications are shown in Table 1 and
source electron beam sizes and divergences for BM and ID
are shown in Table 2. Depending on energy, the horizontal
and vertical emittance of the source are bigger than electron beam emittances [8], however from a practical point
of view the electron beam sizes in the X-ray regime can be
used as guidelines for initial beamline design. The ratio of
the emittance in the vertical and horizontal directions is
known as coupling. For example if coupling is chosen to be
1% it means that the horizontal emittance is of 100 times
larger than in the vertical emittance.
From the above inequality, smaller crystals allow for a
smaller detector distance, which increases the resolution.
The distance can be reduced further when the beam divergence is small. Therefore an insertion device beamline is
clearly more advantageous for collecting data from small
crystals with large cell dimensions. The wavelength of synchrotron radiation is also a factor; therefore using shorter
wavelengths will be beneficial for getting higher resolution
at the edge of the detector at a given crystal to detector distance. It should be mentioned that the pixel size of the Xray
detector needs to be considered as well. The typical pixel
size of a modern CCD X-ray detector is at the order of 5070 μm and is sufficient for current requirements of protein
crystallographers.
2. Radiation Damage
High brilliance synchrotron beamlines are one of the most
powerful tools for modern protein crystallography. However, their usage often results in serious problems due to radiation damage of crystals even at liquid nitrogen temperatures. In 1990 Henderson [2] proposed a maximum dose
limit of 2×107 Gy, which reduced to half the diffraction
intensity of a protein crystal in electron microscopy. Since
then the limit has been verified experimentally at various
protein crystallography beamlines. This limit corresponds
to 1.6×1016 photons/mm 2 deposited on the crystal and it was
shown for lysozyme crystals [3] that radiation damage is
not dependent on incident photon energy between 6.5 keV
and 33 keV. Therefore a flux density of 1014 photons/s/mm 2
deposited on an average protein crystal of 100 μm x 100
μm will destroy it after several minutes of exposure. On
micro-focusing beamlines the flux density has to be monitored very closely - for example using RADDOSE [4] and
BEST [5] - and a careful strategy of data collection has to
be performed in order to collect a full data set from one
protein crystal. It should be mentioned, that in some cases
specific radiation damage can be an opportunity for phasing molecular structures [6].
In this era of structural genomics, small crystals (~ 20
μm) are frequently obtained using crystallization robots.
Those small crystals usually have fewer imperfections,
however the standard kinematics theory of diffraction assumes that the lattice is a quasi-infinite array of unit cells,
Table 1. CLS ring specifications.
Nominal
Long-term goals
Energy (GeV)
2.9
2.9
Current (mA)
250
500
Time structure
multi-bunch
multi-/single-bunch
Horizontal Emittance (nm×rad)
<20
18.1
Energy Spread (%)
0.11
0.11
Lifetime (h)
>6
> 10 (or Top-up)
x-y Coupling (minimum) (%)
<1
< 0.2
γ
5675.3
5675.3
λc (Å)
1.6378
1.6378
Ec (keV)
7.572
7.572
Circumference (m)
170.88
170.88
Dipole Field (T)
1.354
1.354
All of the initial X-ray beamlines built during the first
phase of development of the CLS were beamlines based on
insertion devices and their brilliances are shown in Figure
1. With the exception of the superconducting wiggler, all
insertion devices were designed, assembled and shimmed
at the CLS.
84
Figure 1. Brilliance at the CLS - tuning curves for insertion devices currently installed in the storage ring. The number at the beginning of the label describes the length of the period of the device. PPM stands for pure permanent magnet and SC stands for a
superconducting device.
small-gap in-vacuum hybrid undulator (SGU), located in
the upstream half of the straight section, and chicaned inboard by 0.75 mrad. The downstream half of this section
is reserved for the 08ID-2 beamline’s SGU. The insertion
device contains 80 magnetic periods with a period length of
20 mm. Magnets are made of Sm2Co17 and poles are made
of vanadium permendur. A flux spectrum at a 5.8 mm gap
is shown in Figure 3. To cover the 6.5 keV to 18 keV energy
range harmonics from 3 to 9 need to be used.
The overall design of the beamline consists of white
beam slits (WBS), a double crystal monochromator (DCM)
equipped with an indirectly cryo-cooled first crystal and a
sagittally-focusing second crystal, followed by a vertically
focussing mirror (VFM). An innovative and very robust
endstation, including the MarMosaic225 CCD X-ray detector completes the beamline. The beamline is equipped with
a Röntek Spectrometer System (XFLASH 101A), capable
of carrying out X-ray spectroscopy for multi-wavelength
anomalous diffraction (MAD) and X-ray absorption near
edge structure (XANES) on the same crystal, and X-ray
fluorescence (XRF) for the detection of metal atoms in protein derivative crystals.
The SHADOW [11] ray-tracing results are shown in
Figure 4. Calculations were done using the following
parameters - a small-gap in-vacuum undulator (SGU),
k = 1.63, E = 12.0 keV, 7th harmonic. Energy resolution from
SHADOW, ∆E= 1.6 eV so ∆E/E= 1.6 [eV]/12000 [eV] =
1.33×10 -4 and flux in [ph/s/0.1%BW] has to be multiplied by
0.133 to get the flux in [ph/s] (Table 3).
Table 2. Source electron beam sizes and divergences at
dipole magnets (Tunex=10.22, Tuney=4.32, dispersion in straights=0.25, 0.2% coupling).
Horizontal
Vertical
Beamline
source
σx [mm]
Size
σx` [mrad]
Divergence
σy [mm]
Size
σy`[mrad]
Divergence
BM1
0.120
0.181
0.030
0.005
Straight/ID
0.438
0.041
0.008
0.003
4. The Canadian Macromolecular Crystallography
Facility
The Canadian Macromolecular Crystallography Facility
was formed by Canadian protein crystallographers and is
envisioned to eventually consist of three beamlines - two
insertion devices beamlines and one bending magnet beamline [9, 10]. The first insertion device beamline (08ID1) was
intended to be highly efficient and flexible, capable of satisfying the requirements of the most challenging and diverse
crystallographic experiments, i.e. physically small crystals
with large unit cell dimensions. The bending magnet 08B1
beamline that is currently being built is dedicated to highthroughput data collection and will be capable of remote
access. The third, an undulator based 08ID-2 beamline, is
envisioned to have micro-focusing capabilities with some
restrictions in energy range (Figure 2).
5. Insertion Device Beamline
The CMCF 08ID-1 beamline has been built and now is being commissioned [10]. The beamline is illuminated by a
85
Table 3. Flux on the sample at 12.0 keV for the 08ID-1
beamline.
Loss
factor
Cal. Flux
[phs/0.1%
BW]
Undulator
efficiency*
Mirror
reflectivity (Pd)
Mono
crystal
reflectivity
Monochromatic flux
on sample
[ph/s]
1.0
0.90
0.93
0.80
0.133
7.0x1013
6.3x1013
5.9x1013
4.7x1013
6.2x1012
6. Bending Magnet Beamline
The bending magnet fan has an opening of 1 mrad (H) by
0.25 mrad (V) (Figure 4). Since the vertical opening of the
bending magnet synchrotron light is larger than for insertion
device, the first element of the beamline has to be a vertically
focusing mirror (VFM) (Figure 2). It is followed by a double
crystal monochromator with a water cooled first crystal and
a toroidal mirror (TM). The location of the toroidal mirror
was selected to have a horizontal demagnification of 2, since
it is known that this geometry produces an image with the
smallest aberrations [13]. Compared to the ID beamline, the
photon energy was enlarged to include 4 keV, to enhance the
anomalous and dispersive signal from sulfur atoms naturally present in proteins (at 4 keV, f”(S) = 1.9 e). It should be
pointed out that the CLS bending magnet source is naturally
suited for a low energy range, since more flux is created at
4 keV (Figure 5). Although the Be window, that is needed
to terminate the beamline, will transmit only ~60% of the
4 keV photons, it will still produce a very reasonable flux at
the sample crystal.
The SHADOW ray-tracing results are shown in Figure
6. Calculations were done using the following parameters
- energy resolution from SHADOW, ΔE = 1.5 eV so ΔE/E =
1.5 [eV]/12000 [eV] = 1.25x10 -4 and flux in [ph/s/0.1%BW]
has to be multiplied by 0.125 to get flux in [ph/s] (Table 4).
Table 4. Flux on the sample @ 12 keV for BM beamline
taking into account losses at the optical elements.
Loss factor
Flux [ph/
s/0.1%
BW]
Mirror
reflectivity
(Rh)
DCM
crystals
reflectivity
Monochromatic flux on the
sample [ph/s]
1
0.93x0.93
0.80
0.125
5.6x1012
4.8x1012
3.8x1012
4.8x1011
7. Comparison of the ID and BM beamlines
A comparison of the ID beamline with the BM is given in
Table 5. In the ID beamline case, the vertical size of the
focused beam at the sample was optimized for 50 μm as
compared to the legend in Figure 4 due to gravity sag and
other imperfections. The flux densities were calculated by
dividing the flux by the focal size. The beam divergence at
the sample was calculated with SHADOW. Due to the relatively large horizontal emittance of the CLS ring, the Xray
optics of the ID beamline needed dynamic sagittal focusing
of the second monochromator crystal, which
Figure 2. Layout of the Canadian Macromolecular Crystallography Facility at the Canadian Light Source. The 08ID2 beamline (dotted lines) is shown as a conceptual design.
WBS - white beam slits, VCM - vertically collimating mirror, DCM - double crystal monochromator, TM toroidal
mirror, KBM – Kirkpatrick and Baez mirror system, VFM
- vertically focusing mirror. CCD - end-station.
86
requires the bending radius to be changed with a change
of energy of the monochromator, making operation of the
beamline more complicated. The toroidal mirror (TM) of
the BM beamline provides for a static horizontal focusing,
not requiring adjustment with energy change, but allowing much simpler optimization of the beamline after the
energy change.
Figure 3. Flux spectrum of the CLS SGU at gap of 5.8 mm (k = 1.63) (SRW [12]). The first and second harmonics are not included.
Even harmonics (not labeled) can be seen between the odd order harmonics.
Figure 4. SHADOW ray-tracing results for the 08ID-1 beamline (focus on the sample is 160 μm × 25 μm (FWHM), including
tangential and sagittal rms slope errors of 1 μrad and 25 μrad, respectively).
87
Figure 5. Flux spectrum of the CLS BM
a 1 mrad (H) × 0.25 mrad (V) aperture (SRCalc [14]).
through
Figure 6. SHADOW ray-tracing results for the 08B1 beamline. Focus on the sample is 220 μm (H) × 115 μm (V) (FWHM), including tangential and sagittal rms slope errors of 2 μrad and 25 μrad, respectively.
8. Discussion
ID and BM beamlines are compared with respect to their
usefulness to protein crystallographers. The comparison is
done using the ID and BM beamlines of the Canadian Macromolecular Crystallography Facility at the Canadian Light
Source. Table 5 contains compared side by side the most
important parameters of both beamlines. The flux density
and the divergence at the sample are the most profound differences. The ID beamline is designed mostly to collect
data from small (> 20 μm) protein crystals with large cell
dimensions (~1000 Å) whereas the BM beamline is very ap-
propriate to perform diffraction experiments from average
crystals with cell dimensions less than 400 Å.
Maturation of the insertion devices technology enables
construction of ID protein crystallography beamlines on
~3 GeV rings, however the SGU needs to be in-vacuum.
To be able to cover the appropriate energy range, higher
harmonics have to be used which imposes demanding
conditions on the quality of the rms phase errors of the
SGU and complicates design of the monochromator since
the power density that is deposited on the first crystal of
the monochromator has to be dissipated by a cryogenic
88
Table 5. Comparison of the ID beamline line with the BM
beamline.
08ID-1
08B1
Spectral range (keV)
6.5 – 18.0
4.0 – 18.0
Energy bandwidth (ΔE/E)
for Si(111) at 12 keV
1.33×10-4
1.25×10-4
Flux on the sample @ 1
2 keV [photons/s]
>1012
>1011
Focal size (HxV) @ 12 keV
[μm x μm] (FWHM)
167 [H] × 50 [V]
233 [H] × 114 [V]
Flux density [ph/s/mm2]
@ 12 keV
> 1014
>1012
Beam divergence at the
sample [mradxmrad]
@ 12 keV (FWHM)
0.7 [H] × 0.2 [V]
1.7 [H] × 0.3 [V]
for suggestions and careful reading of the manuscript, Dr. Les
Dallin for his help with machine parameters, and Dr. Ingvar
Blomqvist who designed and built insertion devices at the CLS.
References
[1] R. Sweet, private communication, http://www.px.nsls.bnl.
gov/.
[2] R. Henderson, „Cryo-protection of protein crystals aginst
radiation damage in electron and X-ray diffraction”, Proc.
R. Soc. Lond. B 241 (1990) 6-8.
[3] N. Shimizu, K. Hirata, K. Hasegawa, G. Ueno, M. Yamamoto, „Dose dependence of radiation damage for protein crystals studied at various X-ray energies”, J. Synchrotr. Radiat.
14 (2007) 4-10.
[4] J.W. Murray, E.F. Garman, R.B.G. Ravelli, „X-ray absorption by macromolecular crystals: the effects of wavelength
and crystal composition on absorbed dose”, J. Appl. Crystallogr. 37 (2004) 513-522.
[5] G.P. Bourenkov, A.N. Popov „A quantitative approach to
data-collection strategies”, Acta Crystallogr. D 62 (2006)
58-64.
[6] S. Banumathi, P.H. Zwart, U.A. Ramagopal, M. Dauter, Z.
Dauter, „Structural effects of radiation damage and its potential for phasing”, Acta Cryst. D 60 (2004) 1085-1093.
[7] A.J. Howard, in: Macromolecular Crystallography at Thirdgeneration Synchrotron Sources. Third Generation Hard Xray Synchrotron Radiation Sources: Source Properties, Optics, and Experimental Techniques, D.M. Mills (Ed.), (John
Wiley & Sons Ltd., New York, 2002).
[8] J. Als-Nielsen, D. McMorrow, Elements of Modern X-ray
Physics (John Wiley & Sons Ltd., New York, 2001)
[9] P. Grochulski, I. Blomqvist, B. Yates, E. Hallin, L. Delbaere,
„Design of the 08ID-1 protein crystallography beamline at
the Canadian Light Source”, Acta Phys. Polon. A 101 (5)
(2002) 589-594.
[10] P. Grochulski, I. Blomqvist, L. Delbaere, „Status of the Canadian Macromolecular Crystallography Facility: Design
and Commissioning of the 08ID-1 Beamline at the Canadian
Light Source”, PiC 62 (5) (2006) 301-304.
[11] C. Welnak, G.J. Chen, F. Cerrina, „SHADOW: a synchrotron radiation X-ray optics simulation tool”, Nucl. Instrum.
Meth. A 347 (1994) 344-347.
[12] O. Chubar, P. Elleaume, SRW, v. 3.7. Copyright ESRF 19972000.
[13] A.A. MacDowell, R.S. Celestre, M. Howells, W. McKinney, J.
Krupnick, D. Cambie, E.E. Domning, R.M. Duarte, N. Kelez,
D.W. Plate, C.W. Cork, T.N. Earnest, J. Dickert, G. Meigs, C.
Ralston, J.M. Holton, T. Alber, J.M. Berger, D.A. Agard, H.A.
Padmore, „Suite of three protein crystallography beamlines
with single superconducting bend magnet as the source”, J.
Synchrotr. Radiat. 11 (2004) 447-455.
[14] R. Reininger, SRCalc v. 1.2.1, 2001,http://www.sas-rr.com/.
system. On the other hand, the first crystal of the monochromator of the BM beamline can be cooled by water.
The simplified X-ray optics of the BM beamline allows
this beamline to be fully automated, so the lower flux can
be compensated for, making this beamline a good candidate for remote access and mail-in crystallography.
Radiation damage is a real problem at third-generation
protein crystallography beamlines. It is more severe at ID
beamlines, but it must also be considered at BM beamlines
as well. Knowledge of the size of the crystal and flux generated by the beamline allows calculation of the maximum
allowed dose for a crystal. That in turn puts stronger emphases on the strategy of data collection to enable a full
data set to be collected from one crystal.
One might ask why protein crystallographers need so
much flux density at their crystals? For a very small crystal with large cell dimensions, the beam needs to either be
focused at the CCD detector or to be defocused (making it
almost parallel), in order to avoid overlapping of spots on
the detector. Slits can then be used to tailor the beam size
to the size of the crystal. This will reduce the total flux
and the flux density on the sample to values much smaller
than the ones presented in Table 5. Therefore the more flux
a beamline can produce the more flexibility crystallographers have for collecting data fast and registering diffraction spots from very small crystals.
Acknowledgments: The author would like to thank Dr. Brian
Yates for his help with SHADOW calculations, Dr. Michel Fodje
89
W. Szuszkiewicz: Po co fononom synchrotron? / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
PO CO FONONOM SYNCHROTRON?
Wojciech Szuszkiewicz
Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk, al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa
e-mail: szusz@ifpan.edu.pl
Streszczenie: Artykuł zawiera skrótowy przegląd metod doświadczalnych stosowanych w badaniach wzbudzeń fononowych w materii skondensowanej. Podano wybrane przykłady danych uzyskanych różnymi metodami. Wymieniono ograniczenia występujące w klasycznych w tej dziedzinie metodach badawczych (odbiciu
w dalekiej podczerwieni przy użyciu tradycyjnych źródeł promieniowania, rozpraszaniu ramanowskim w widzialnym obszarze spektralnym, nieelastycznym rozpraszania neutronów), wskazano na zalety stosowania
promieniowania synchrotronowego.
Studies of phonons with the use of synchrotron radiation: what for?
Abstract: Short review of experimental methods applied for investigations of phonon excitations in condensed matter is given. Few examples of data obtained with the use of classical methods (infrared reflectivity,
Raman scattering in the visible spectral range, inelastic neutron scattering) are given, limitations of these
methods are discussed. Clear advantages of methods with the use of synchrotron radiation are pointed out.
około kilkudziesięciu eV. Fonony są wzbudzeniami o energiach zaledwie rzędu kT w temperaturze pokojowej (czyli 25 meV, co odpowiada około 200 cm-1)*. W nielicznych
przypadkach (np. dla kryształów zbudowa-nych z lekkich
atomów) energie fononów akustycznych mogą osiągać
energie większe, przykładowo w diamencie dochodzą do
1130 cm-1 czyli mniej więcej 140 meV [3]. Fonony optyczne
mają zwykle energie nie mniejsze niż 15 meV, natomiast
ich energia maksymalna może być znacznie większa i np.
dla diamentu osiąga ponad 160 meV.
Pomimo stosunkowo niskich energii wzbudzeń, jakimi
są fonony, aż 18 spośród 345 przyjętych do przedstawienia w trakcie konferencji prac poświęconych było nowym
wynikom uzyskanym wyłącznie przy użyciu promieniowania synchrotronowego, w szeregu dalszych prezentacji
powoływano się na dane uprzednio otrzymane metodami
wykorzystującymi to promieniowanie. Dwie prace oparte o wyniki badań z wykorzystaniem różnych źródeł
promieniowania synchrotronowego miały charakter dłuższych, przeglądowych referatów zaproszonych, co podkreśla wagę wspomnianych metod. Biorąc pod uwagę stały
wzrost liczby krajowych użytkowników promieniowania
W dniach od 15 do 20 lipca 2007 r. w Paryżu odbyła się
12-ta Międzynarodowa Konferencja Phonons 2007 poświęcona wzbudzeniom i rozpraszaniu fononów w fazie skondensowanej. Konferencje takie organizowane są co trzy lata
(poprzednia odbyła się w 2004 r. w St. Petersburgu w Rosji,
natomiast następna zorganizowana zostanie w Taipei na Taiwanie w 2010 r.). Każda z cyklu wspomnianych konferencji
jest najpoważniejszym na świecie, aktualnym przeglądem
zarówno nowych wyników, jak i nowych technik eksperymentalnych czy narzędzi teoretycznych związanych z badaniem fononów. Będąc jednym z polskich uczestników konferencji paryskiej chciałbym podzielić się kilkoma refleksjami,
jakie nasunęły mi się w jej trakcie.
Na pierwszy rzut oka mogłoby wydawać się, że wszelkie problemy fizyczne związane z fononami są zdecydowanie odległe od zainteresowań badaczy pracujących z promieniowaniem synchrotronowym. Najczęściej użytkownik
synchrotronu wykorzystuje albo dyfrakcję, albo spektroskopię rentgenowską stosując promieniowanie o energii od
kilku do kilkunastu keV. Specjaliści w zakresie fotoemisji
mają do czynienia zazwyczaj z promieniowaniem o energii
* Fonony to kwazicząstki, które wprowadza się w celu opisu drgań
rdzeni atomowych w fazie skondensowanej o uporządkowanej budowie
wewnętrznej (w kryształach). W przypadku uporządkowania długozasięgowego fonony odpowiadają falom (zaburzeniom) rozchodzącym się
swobodnie w ośrodku. W zależności od kierunku drgań rdzeni względem
kierunku rozchodzenia się fali rozróżniamy fonony podłużne i poprzeczne. Jeśli komórka elementarna kryształu zawiera więcej, niż jeden atom,
widmo drgań dzieli się dodatkowo na fonony optyczne i fonony akustyczne (dotyczy to także sytuacji, w której kryształ zbudowany jest z jednego
rodzaju atomów, jak np. diament czy krzem). O fononach optycznych mówimy wtedy, gdy w trakcie drgań sąsiednich rdzeni wytwarza się moment
dipolowy Poprzeczne fonony optyczne mogą bezpośrednio oddziaływać
z falą elektromagnetyczną padającą na rozważany ośrodek. Z propagacją
fononów akustycznych nie jest związane powstawanie momentu dipolowego. Przykładowo propagację dźwięku w krysztale można opisać jako
rozchodzenie się podłużnych fononów akustycznych. Energie fononów
akustycznych mogą zmieniać się od zera do pewnej wartości maksymalnej, energie fononów optycznych przyjmują zawsze wartości skończone
i przeważnie większe niż energie fononów akustycznych. W przypadku
typowych półprzewodników energie fononów akustycznych dochodzić
mogą do około 15-20 meV, energie fononów optycznych zawarte są w obszarze od około 25 meV do 40 meV. Zarówno fonony akustyczne jak i
fonony optyczne charakteryzują się dyspersją, tzn. energia ich jest funkcją
wektora falowego (kwazipędu). W przypadku struktury nieidealnej zawierającej defekty takie jak luki czy domieszki obcych atomów, możliwe jest
występowanie tzw. fononów zlokalizowanych. Odpowiadają one drganiom silnie tłumionym, występującym w bezpośrednim otoczeniu defektu.
Obserwacja fononów zlokalizowanych wymaga znaczącej koncentracji
wspomnianych defektów, w praktyce odpowiadającej przynajmniej 1017
cm-3. W ośrodkach o uporządkowaniu bliskozasięgowym (np. w cieczach)
mogą rozchodzić się fale sprężyste, które przypominając podłużne fonony
akustyczne charakteryzują się dyspersją. W fazie skondensowanej o budowie nieuporządkowanej (ciałach amorficznych) zamiast dyspersyjnych
wzbudzeń do opisu rozważanych tu własności stosuje się funkcję gęstości stanów, związaną z prawdopodobieństwem wystąpienia drgań o danej
energii. Więcej podstawowych informacji o fononach znaleźć można np. w
podręcznikach [1, 2].
90
synchrotronowego (który w wyniku planowanej budowy
synchrotronu w Krakowie może dodatkowo ulec istotnemu
przyspieszeniu) w zaistniałej sytuacji warto przypomnieć,
jakimi metodami badać można w ciałach stałych wzbudzenia o tak niskich energiach.
Kilka spośród prac prezentowanych w trakcie konferencji Phonons 2007 przez mieszaną grupę polsko-włoską
(polscy współautorzy reprezentowali Uniwersytet Rzeszowski, Uniwersytet Jagielloński i Instytut Fizyki PAN)
opartych było o wyniki pomiarów odbicia w obszarze dalekiej podczerwieni. Taka metoda wyznaczania energii fononów w ciałach stałych (przykładowo w kryształach izolatorów bądź półprzewodników) jest stosunkowo dobrze znana
w optyce już od kilkudziesięciu lat. Pozwala ona wyznaczyć energie fononów optycznych w centrum pierwszej
strefy Brillouina oraz ewentualnych modów wynikających
z obecności defektów czy obcych domieszek w sieci krystalicznej, nie pozwala natomiast na obserwację fononów
akustycznych czy badanie dyspersji wszelkich modów fononowych. W tradycyjnych spektrometrach dalekiej podczerwieni jako typowe źródło promieniowania ciągłego
we wspomnianym obszarze widmowym przeważnie wykorzystuje się rozgrza-ny do czerwoności pręcik wykonany
ze specjalnego materia-łu ceramicznego (węglika krzemu),
tzw. globar, dla którego rozkład widmowy promieniowania
dobrze odpowiada rozkładowi promieniowania ciała doskonale czarnego. Jak łatwo można zauważyć (odpowiedni
wzór podany został już ponad sto lat temu przez Plancka†),
natężenie promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne gwałtownie maleje wraz ze wzrostem długości
fali. Ponieważ ze względów technicznych temperatura globara nie może przekraczać ~2000°C, więc przy pomiarach
odbicia w obszarze energii fononów stosunkowo mało fotonów pada na próbkę. Naturalnie jeszcze mniej spośród nich
po odbiciu od powierzchni próbki dociera do detektora, co
z jednej strony stawia bardzo wysokie wymagania co do
czułości takich detektorów, a z drugiej ze względu na znaczący błąd eksperymentalny pomiaru intensywności przy
standardowym czasie pomiaru nieco ogranicza możliwość
obserwacji bardzo subtelnych efektów. Innym, często stosowanym źródłem promieniowania w dalekiej podczerwieni (ale już w istotnie ograniczonym zakresie spektralnym,
dla długości fali powyżej 100 μm) jest wysokociśnieniowa
lampa rtęciowa (taka, jaka powszechnie używana jest jako
źródło promieniowania w zakresie widmowym ultrafioletu). Niezależnie od rodzaju „tradycyjnego” źródła promieniowania, prowadzenie pomiarów odbicia światła w obszarze dalekiej podczerwieni wymaga próbek o dość dużej
powierzchni (w praktyce co najmniej kilku), co istotnie
ogranicza stosowalność omawianej metody. W spektrometrze dalekiej podczerwieni wykorzystującym promieniowanie synchrotronowe emitowane w powyższym obszarze
widmowym (a taki zastosowała wspomniana grupa pol-
sko-włoska używając jako źródła DAFNE-LIGHT w Laboratori Nazionali di Frascati we Włoszech) intensywność
padającej wiązki fotonów jest o rzędy wielkości większa.
Można w takich warunkach zarówno badać własności próbek o znacznie mniejszych rozmiarach, jak i dokładnie wyznaczyć energie słabych modów fononowych, trudnych do
zaobserwowania metodami tradycyjnymi. Zainteresowani
bliżej wspomnianą tematyką znaleźć mogą więcej szczegółów w oryginalnych pracach, np. w [4, 5] i odnośnikach
do nich.
Znakomita większość wyników prac otrzymanych
z zastosowaniem promieniowania synchrotronowego, prezentowanych w trakcie konferencji Phonons 2007, wykorzystywała metodę nieelastycznego rozpraszania promieni
rentgenowskich (Inelastic X-ray Scattering, IXS). W zależności od tego, czy energia fali padającej odpowiada krawędzi absorpcji rentgenowskiej dla danego pierwiastka czy
też nie rozróżnia się odpowiednio rozpraszanie rezonansowe (w literaturze anglojęzycznej Resonant Inelastic X-ray
Scattering, RIXS) bądź nierezonansowe (Non-Resonant
Inelastic X-ray Scattering, NRIXS). Wspomniana metoda
badań oraz jej porównanie z możliwościami alternatywnych pomiarów, takich jak nieelastyczne rozpraszanie neutronów omówione zostaną szczegółowo poniżej.
Zacznijmy od tego, że w optyce oprócz pomiarów odbicia światła w obszarze widmowym dalekiej podczerwieni drugą, klasyczną metodą wyznaczania częstości
wybranych modów fononowych jest pomiar rozpraszania
ramanowskiego. W pomiarze rozpraszania ramanowskiego badaną próbkę oświetla się monochromatyczną wiązką światła wysyłanego przez laser (np. gazowy bądź półprzewodnikowy). W praktyce stosuje się linie laserowe
odpowiadające częstościom w obszarze widmowym od
bliskiej podczerwieni poprzez obszar widzialny do bliskiego nadfioletu. W efekcie Ramana▼ (80-tą rocznicę odkrycia będziemy świętowali w przyszłym roku) na skutek
oddziaływania światła laserowego z badanym ośrodkiem
w widmie promieniowania rozproszonego pojawiają się
nowe częstości, przesunięte względem częstości padającej
fali o wartość odpowiadającą energii wzbudzeń (w naszym
przypadku fononów) w badanym ośrodku. Istnieją różne
mechanizmy prowadzące do pojawienia się rozpraszania
ramanowskiego, ale omówienie ich wykracza poza ramy niniejszego artykułu. Szereg szczegółów eksperymentalnych,
dotyczących tej metody pomiarowej znaleźć można w pracy
[6], a także w rozlicznych monografiach, opracowanych pod
kierunkiem światowej klasy eksperta w dziedzinie rozpraszania ramanowskiego w ciałach stałych, Manuela Cardony
(np. [7]). Z nowszych pozycji warto polecić monografie [8, 9]
w dużej mierze poświęcone rozpraszaniu ramanowskiemu
w układach o obniżonej wymiarowości. Z naszego punku
Zjawisko Ramana polega na rozpraszaniu światła wraz ze zmianą jego częstości. Chandrasekhar Venkata Raman w 1928 r. badając rozpraszanie monochromatycznego światła w powietrzu zauważył w świetle rozproszonym
w sąsiedztwie linii widmowej odpowiadającej padającemu promieniowaniu
występowanie linii o dłuższej i o krótszej fali. Efekt Ramana zachodzi zarówno
w gazach, jak i w cieczach czy ciałach stałych. W 1930 r. za odkrycie zjawiska nazwanego jego imieniem Raman otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
▼
Max Karl Ernst Ludwig Planck opracował m.in. teorię promieniowania
ciała doskonale czarnego. W 1900 r. wykazał on, że absorpcja i emisja
promieniowania odbywa się nie w sposób ciągły, lecz skokowo, porcjami
nazwanymi kwantami. Wprowadził on do fizyki uniwersalną stałą h, która
nosi dziś jego imię. W 1918 r. za zasługi w tworzeniu podstaw teorii kwantów otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
†
91
widzenia istotnym jest, że w widmie rozpraszania ramanowskiego pojawiają się zarówno częstości wyższe, jak i niższe
od częstości padającego promieniowania, co związane jest
odpowiednio z absorpcją i z emisją wybranych wzbudzeń
w ośrodku. Rozpraszanie ramanowskie pozwala na obserwację i wyznaczenie częstości fononów optycznych (niekiedy nie tylko w centrum pierwszej strefy Brillouina, ale
także na jej brzegu). W pewnych przypadkach udaje się zaobserwować pary modów akustycznych odpowiadających
brzegowi strefy, a niekiedy możliwa jest obserwacja kombinacji modów optycznych i akustycznych, a także modów
wynikających z obecności defektów sieci krystalicznej. Należy podkreślić, że ze względu na małą wartość pędu fotonu
w obszarze widmowym bliska podczerwień – bliski nadfiolet pomiary rozpraszania ramanowskiego wykorzystującego
takie promieniowanie nie mogą dostarczyć informacji o dyspersji fononów. W rozpraszaniu ramanowskim obowiązują
zasady zachowania całkowitej energii i całkowitego pędu
uczestniczących w nim fononów i fotonów. Dla przypomnienia: długości wektorów falowych dla fotonów z podanego
obszaru widmowego są zaledwie rzędu 105 cm-1, natomiast
analogiczna wielkość dla fononów w całej strefie Brillouina
zmienia się od zera do 108 cm-1. Właśnie dlatego w omawianym pomiarze rozpraszania ramanowskiego obserwuje się
wyłącznie fonony bądź pary (czy trójki) fononów o całkowitym pędzie odpowiadającym zmianie wartości wektora
falowego rzędu 105 cm-1. W porównaniu do całego zakresu
możliwych zmian wektora falowego fononu jest to wartość
bardzo mała, którą w praktyce przy interpretacji wyników
często przyjmuje się za zerową.
Dobrze znaną metodą wyznaczania dyspersji fononów
jest nieelastyczne rozpraszanie neutronów (Inelastic Neutron Scattering, INS)§. Szczegółowe informacje o tej metodzie znaleźć można np. w monografiach [10, 11] i wspominanej już uprzednio pracy [6]. Pomiędzy nieelastycznym
rozpraszaniem neutronów a analogicznym rozpraszaniem
promieniowania synchrotronowego występują istotne różnice. Porównując obie techniki eksperymentalne należy
zwrócić uwagę na fakt, że prowadzenie badań z wykorzystaniem neutronów wymaga stosowania monokrystalicznych próbek o objętości rzędu setek mm3, co nie zawsze
jest łatwe lub możliwe do otrzymania. Nie jest to zresztą
jedyna wada metod wykorzystujących rozpraszanie neutronów. W technice takich pomiarów nie stosuje się detektorów „punktowych”. Szerokość szczeliny ograniczającej
rozmiar wiązki padającej na próbkę i szczeliny wejściowej
detektora (czy jego rozmiar) jest stosunkowo duża i wynosi
typowo kilka cm. Dopiero niedawno w niektórych typach
eksperymentów udało się pokonać tę barierę (stosując detektor dwuwymiarowy - układ cienkich drucików pod wysokim napięciem, tworzących siatkę o rozmiarze liniowym
„oczka” równym 0.5 cm. Detektory takie nie są jednak aktualnie używane w pomiarach dyspersji fononów).
Przy pomiarach dyfrakcyjnych określających własności
strukturalne próbki w celu zwiększenia kątowej zdolności
rozdzielczej spektrometru stosuje się parę identycznych
kolimatorów (układów długich równoległych płytek odległych od siebie mniej więcej o 1 mm) wymuszających
bardzo małą rozbieżność odpowiednio padającej i ugiętej
wiązki neutronów. Ponieważ użycie kolimatorów istotnie
ogranicza natężenie tych wiązek, wiec praktycznie nawet
przy bardzo precyzyjnych pomiarach dyfrakcyjnych nie
spotyka się kątowej zdolności rozdzielczej lepszej niż 20’.
Kolimatorów nie stosuje się podczas pomiarów dyspersji
fononów, co ogranicza dokładność otrzymywanych wartości liczbowych. Dodatkową trudnością w prowadzeniu
pomiarów neutronowych jest zmniejszanie się wartości
przekroju czynnego na rozpraszanie wraz ze wzrostem
przekazu energii: przy pomocy neutronów dużo łatwiej
jest zmierzyć dyspersję fononów akustycznych, niż fononów optycznych (szczególnie tych o wysokiej energii).
Obserwacja fononów optycznych metodą nieelastycznego
rozpraszania neutronów w kryształach zbudowanych z lekkich pierwiastków jest praktycznie niemożliwa ze względu na bardzo wysokie energie tych fononów. Kolejnym
problemem do rozwiązania w przypadku neutronowych
badań materiałów o własnościach magnetycznych (np.
półprzewodnikach magnetycznych) jest silne rozpraszanie
neutronów na kolektywnych wzbudzeniach układu spinów
(magnonach). Intensywność takiego rozpraszania znacznie
przewyższa intensywność rozpraszania na fononach. Badania zarówno struktury, jak i wzbudzeń magnetycznych
to oddzielny temat, ale warto podać następujący przykład. Kilka lat temu metodą nieelastycznego rozpraszania
neutronów niżej podpisany wraz z grupą polskich i francuskich współpracowników badał własności magnonów
w antyferromagnetycznym półprzewodniku MnTe o strukturze typu blendy cynkowej. Jest to metastabilna faza tego
półprzewodnika, dlatego też do pomiarów użyto warstwy
o grubości kilku mikrometrów, otrzymanej w Instytucie
Fizyki PAN metodą nierównowagową (epitaksją z wiązek
molekularnych, tzw. MBE). Pomimo, że oświetlona neutronami powierzchnia próbki użytej do prowadzenia badań
wynosiła kilka cm 2, a jej całkowita objętość była mniejsza
od jednego mm3, dyspersję poszczególnych gałęzi magnonów wzdłuż kilku wybranych kierunków o wysokiej
symetrii w pierwszej strefie Brillouina udało się ze sporą
precyzją wyznaczyć [12]. Podana powyżej niezwykle mała
objętość badanej próbki to wciąż rekordowe osiągnięcie
eksperymentalne w omawianej dziedzinie badań neutronowych. Wprawdzie zbieranie danych doświadczalnych trwało
bardzo długo (w sumie kilka miesięcy), ale względny błąd
otrzymanej energii danego modu magnonowego w bardzo
dużym obszarze zmienności wektora falowego magnonu nie
przekraczał 3%, a błąd maksymalny mniejszy był od 7%.
W celu określenia dyspersji fononów analogiczną metodą
trzeba byłoby użyć próbki o objętości rzędu kilkuset mm3,
§
Zjawisko dyfrakcji neutronów zarówno przewidziano teoretycznie, jak i zaobserwowano eksperymentalnie w 1936 r. Neutronografię strukturalną stworzył Clifford Glenwood Shull, który jako
pierwszy już od końca lat 40-tych ubiegłego stulecia stosował
elastyczne rozpraszanie neutronów do badania struktury kryształów. Nieelastyczne rozpraszanie neutronów do badania dynamiki
ciała stałego jako pierwszy zastosował na początku lat 50-tych
(a później opracował jego technikę) Bertram Neville Brockhouse. Shull oraz Brockhause za opracowanie metod badania ciała
stałego opartych na rozpraszaniu neutronów otrzymali w 1994 r.
nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
92
co w przypadku technologii MBE jest całkowicie nierealne.
Typowy przykład pomiaru dyspersji fononów w półprzewodniku znaleźć można w innej polsko-francuskiej
pracy [13] poświęconej HgSe, której polscy współautorzy
reprezentowali Instytut Fizyki Jądrowej PAN oraz Instytut
Fizyki PAN. Pomimo, że do badań wykorzystano monokryształy o znacznej objętości (około 250 mm3), a energie
fononów były względnie małe (nie przekraczały 45 meV),
czas pomiaru każdej z gałęzi fononowych o najwyższych
energiach (fononów optycznych) wynosił tydzień przy
względnym błędzie eksperymentalnym danej energii fononu zbliżonym do 1% jej wartości.
Nieelastyczne rozpraszanie promieni rentgenowskich
odkryto już w 1923 r., ale dopiero zastosowanie lampy
rentgenowskiej z wirującą anodą jako źródła promieniowania pozwoliło na praktyczne stosowanie tej metody badań
dzięki dużej intensywności wytwarzanej wiązki. Szersze
zastosowanie synchrotronów jako źródeł promieniowania
we wspomnianym obszarze widmowym nastąpiło w ostatnich trzydziestu latach i w tym właśnie okresie nastąpił
burzliwy rozwój techniki pomiarowej wykorzystującej
rozpraszanie nieelastyczne w obszarze widmowym odpowiadającym promieniom rentgenowskim. Oczywiście
określanie własności modów fononowych stanowi tylko
niewielki fragment zastosowań wspomnianej techniki. Ze
względu na silne oddziaływanie fali elektromagnetycznej
z ładunkami elektrycznymi w ośrodku nieelastyczne rozpraszanie promieni rentgenowskich jest metodą szczególnie
przydatną do badania wszelkiego rodzaju wzbudzeń elektronowych. Zainteresowanych badaniem dynamiki elektronów tą właśnie metodą odesłać można do obszernej pracy
przeglądowej [14] i podanych w niej odnośników. Nieelastyczne rozpraszanie promieniowa-nia synchrotronowego
w zakresie widmowym odpowiadają-cym promieniom
rentgenowskim umożliwia wyznaczanie dyspersji fononów
w całej strefie Brillouina, gdyż długości fal w stosunku do
obszaru widzialnego są o kilka rzędów wielkości mniejsze, a zatem długości wektorów falowych w takim samym
stopniu są większe. Umożliwia to przekaz pędu pomiędzy
fotonem padającym, fotonem rozproszonym i rozważanym
fononem w całym zakresie zmienności wektora falowego
fononu. Co więcej, przy rozpraszaniu promieniowania synchrotronowego nie występują ograniczenia kinematyczne, limitujące zakres dostępnych zmian energii i wektora
falowego (ograniczenia takie istnieją dla nieelastycznego
rozpraszania neutronów). W przypadku nieelastycznego
rozpraszania promieni rentgenowskich ze względu na małą
średnicę padającej wiązki fotonów i jej duże natężenie,
badany obiekt może mieć niewielkie rozmiary (objętość
rzędu ułamka mm3). Przykładowo, kilka lat temu międzynarodowej grupie, w której uczestniczyli polscy badacze
udało się w ESRF w Grenoble wyznaczyć dyspersję fononów dla ważnego z punktu widzenia zastosowań materiału,
jakim jest półprzewodnik GaN [15]. Do badań użyto monokryształów, uzyskanych w Instytucie Wysokich Ciśnień
PAN UNIPRESS. Były to wówczas największe istniejące
monokryształy, ich objętość nieco przekraczała jeden mm3.
Pomimo małych rozmiarów badanych próbek i stosunkowo
wysokich energii fononów (w przypadku poprzecznych fo-
nonów optycznych przewyższających 75 meV, co odpowiada około 700 cm-1) wyznaczono zależności energii szeregu
modów fononowych od wektora falowego. Widmo umożliwiające wyznaczenie energii konkretnego modu fononowego dla danego punktu strefy Brillouina rejestrowane
było w czasie od 2 do 10 min, względny błąd eksperymentalny wyznaczonej energii modu wynosił około 0.3% jej
wartości.
Z punku widzenia określania dyspersji fononów nieelastyczne rozpraszanie promieniowania synchrotronowego
ma jeszcze inna zaletę. W przypadku rozpraszania neutronów w ośrodkach zawierających jony magnetyczne (bądź
charakteryzujących się jakimś stopniem uporządko-wania
magnetycznego) oddziaływanie spinu neutronu z układem
spinów w ośrodku może być równie silne, co oddziaływanie neutronów z nuklidami badanego materiału. Wspominaliśmy już uprzednio, że wyznaczenie dyspersji fononów w półprzewodniku magnetycznym utrudnione jest
ze względu na występujące równolegle silne rozpraszanie
neutronów na magnonach. W przypadku oddziaływania
fali elektromagnetycznej z ośrodkiem o uporządkowaniu
magnetycznym rozpraszanie związane z występowaniem
magnetyzmu jest o rzędy wielkości mniejsze, niż rozpraszanie na fononach.
Warto wspomnieć, że w ciągu ostatnich dziesięciu lat
burzliwie rozwija się rezonansowa odmiana nieelastycznego
rozpraszania promieni rentgenowskich (RIXS), pozwalająca
na rozróżnienie poszczególnych rodzajów atomów wchodzących w skład badanego materiału. Właściwe dobranie
energii padających fotonów zasadniczo zwiększa wartość
przekroju czynnego na rozpraszanie nieelastyczne i pozwala
na obserwację nawet bardzo słabych efektów. Przykładowo
ma to szczególne znacznie dla badania zjawisk związanych
z oddziaływaniem kwadrupolowym, ale omówienie ich wykracza poza ramy niniejszego komentarza.
Stosowaną niekiedy metodą badania drgań atomów
w sieci krystalicznej jest jądrowe nieelastyczne rozpraszanie promieniowania synchrotronowego. W literaturze anglojęzycznej stosuje się nazwę Nuclear Inelastic Scattering
of Synchrotron Radiation (NIS). Jest to metoda rezonansowa, gdyż długość padających promieni rentgenowskich
dobiera się do energii wzbudzania danego typu nuklidu.
W trakcie procesu takiego rozpraszania pobudza się silne
drgania wybranych atomów, co pozwala np. badać wartości parametrów opisujących mody zlokalizowane, takie jak
ich tłumienie czy zależność ich właściwości od kierunku
rozchodzenia się w krysztale. Rozwój źródeł synchrotronowych trzeciej generacji umożliwił w ostatnich latach
stosowanie metody NIS do badania własności fononów
w cienkich warstwach czy nanostrukturach, mających
istotne znaczenie aplikacyjne. Piękny przykład zastosowania omawianej metody znaleźć można w opublikowanej
dosłownie kilka tygodni temu pracy [16]. Grupa autorów
polskich (reprezentujących Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN, Akademię Górniczo-Hutniczą oraz
Instytut Fizyki Jądrowej PAN) wraz ze współpracownikami z Francji i z Austrii przeprowadziła w ESRF pomiary
fononowej gęstości stanów dla warstw o praktycznie jed-
93
noatomowej grubości, znajdujących się zarówno na samej
powierzchni, jak i w pobliżu powierzchni monokrystalicznego Fe(110). W tym celu do otrzymania próbek użyto
oprócz izotopu żelaza 56Fe również izotop 57Fe. Jednoatomowa warstwa o grubości zaledwie 2.03 Å zawierająca
wyłącznie 57Fe umieszczana była w żądanym położeniu
względem powierzchni kolejnych próbek. Do przeprowadzenia pomiarów użyto promieniowania synchrotronowego o energii dobranej rezonansowo do energii wzbudzenia
tego izotopu. Otrzymane wyniki pokazały, ze atomy tworzące pierwszą warstwę wibrują z częstościami znacznie
niższymi, natomiast z amplitudami znacznie wyższymi,
niż atomy znajdujące się pod powierzchnią kryształu. Co
więcej, drgania drugiej z kolei warstwy atomów niemal nie
różnią się od drgań atomów znajdujących się głęboko w objętości próbki. Wyniki wspomnianych badań mają istotne
znaczenie dla fizyki nanocząstek, zjawiska katalizy czy innych zjawisk związanych z samą powierzchnią.
Ważną dziedzinę badań wykorzystujących nieelastyczne rozpraszanie promieniowania synchrotronowego w zakresie widma rentgenowskiego reprezentują prace dotyczące własności elastycznych materiałów istotnych z punktu
widzenia geofizyki (np. żelaza, związków krzemu itd.),
szczególnie te prowadzone w obszarze wysokich ciśnień
i temperatur. Warto także wspomnieć, że nieelastyczne
rozpraszanie promieni rentgenowskich pozwala na badanie
sposobu rozchodzenia się kolektywnych modów nie tylko
w ciałach stałych o uporządkowanej budowie, ale także
w cieczach (roztopionych metalach, wodzie, skroplonych
gazach, itd.), a także w ośrodkach nieuporządkowanych
takich jak szkła. W trakcie konferencji paryskiej zaprezentowano kilka tego typu prac.
W chwili obecnej prowadzone są w kilku ośrodkach
synchrotronowych (np. w Hasylab czy w ESRF) prace nad
„nanoogniskowaniem” wiązek promieniowania na badanej
próbce (problem mikroogniskowania został już rozwiązany i wiązki takie – wprawdzie mające wciąż jeszcze pole
przekroju równe ponad 100 mikrometrów kwadratowych
- dostępne są dla użytkowników w niektórych centrach
synchrotronowych). Postęp w technice pomiarów z użyciem synchrotronu oznacza możliwość badania coraz to
mniejszych próbek (nie tylko nanocząstek takich jak np.
nanorurki węglowe, ale również obiektów o znaczeniu biologicznym czy medycznym takich jak np. białka). Badania
własności strukturalnych tego typu próbek prowadzone są
już od dawna w wielu centrach synchrotronowych. W trakcie paryskiej konferencji prezentowano już prace (wprawdzie jeszcze nie oparte o promieniowanie synchrotronowe),
których autorzy analizują własności elastyczne wirusów
czy rolę fononów w dynamice ładunków elektrycznych
w strukturach DNA.
Czego w omawianej dziedzinie badań można spodziewać się w najbliższym czasie? Z jednej strony na pewno
wzrośnie rola badań mikrocząstek i nanostruktur mających
znaczenie w biologii i medycynie. Wydaje się, że rozszerzenie prowadzonych prac o badanie nieelastycznego rozpraszania promieniowania synchrotronowego w zakresie
widma rentgenowskiego jest kwestią niedalekiej przyszłości. Z drugiej strony postęp w miniaturyzacji urządzeń
z zakresu elektroniki, a może także nowe zastosowania
materiałów spintronicznych wymagać będą coraz bardziej wyrafi-nowanych metod badania własności fononów.
Dotyczyć to będzie nie tylko zasygnalizowanej skrótowo
metody badania drgań atomów w pobliżu powierzchni, ale
również nowych metod badania transportu ciepła w nanostrukturach (jak wiadomo odprowadzanie ciepła wytwarzanego w czasie pracy układów mikroelektronicznych
jest jednym z problemów, których rozwiązanie warunkuje
dalszą miniaturyzację w elektronice). Przykłady można
mnożyć. Tak czy inaczej jasno widać, jak bardzo fononom
potrzebne są dzisiaj synchrotrony...
Literatura
[1] J. Ginter, Wstęp do fizyki atomu, cząsteczki i ciała stałego,
wyd. 2 (PWN, Warszawa 1986).
[2] C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego (PWN, Warszawa
1999).
[3] M. Schwoerer-Böhning, A.T. Macrander, D.A. Arms, „Phonon Dispersion of Diamond Measured by Inelastic X-Ray
Scattering”, Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 5572.
[4] B.V. Robouch, A. Kisiel, E.M. Shereghii, „Consideration of
the Verleur model of far-infrared spectroscopy of ternary
compounds”, Phys. Rev. B 64 (2001) 73204.
[5] J. Polit, E.M. Shereghii, J. Cebulski, B.V. Robouch, A. Marcelli, M. Cestelli Guidi, M. Piccinini, A. Kisiel, P. Zajdel, E.
Burattini, A. Mycielski, „Phonon and vibrational spectra of
hydrogenated CdTe”, J. Appl. Phys. 100 (2006) 013521.
[6] A. Oleś, Metody doświadczalne fizyki ciała stałego (WNT,
Warszawa 1998).
[7] Seria Light Scattering in Solids (red. M. Cardona), (Springer,
Berlin), rozliczne tomy wydawane od początku lat 80-tych.
[8] T. Ruf, Phonon Raman Scattering in Semiconductors, Quantum Wells and Superlattices, w Springer Tracts in Modern
Physics, vol. 142 (Springer, Berlin 1998).
[9] Raman Scattering in Materials Science, Eds. W.H. Weber,
R. Merlin, w: Springer Series in Materials Science, vol. 42
(Springer, Berlin 2000).
[10] Dynamics of Solids and Liquids by Neutron Scattering, eds.
S.W. Lovesey, T. Springer, w Topics in Current Physics
(Springer, Berlin 1977).
[11] S.W. Lovesey, Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter, vol. 1, w: The International Series of Monographs on Physics, Clarendon Press, Oxford 1984.
[12] B. Hennion, W. Szuszkiewicz, E. Dynowska, E. Janik, T.
Wojtowicz, „Spin-wave measurements on MBE-grown
zinc-blende structure MnTe by inelastic neutron scattering”,
Phys. Rev. B 66 (2002) 224426.
[13] J. Łażewski, K. Parliński, W. Szuszkiewicz, B. Hennion,
„Lattice dynamics of HgSe: Neutron scattering measurements and ab initio studies”, Phys. Rev. B 67 (2003) 094305.
[14] W. Schuelke, Electron Dynamics by Inelastic X-Ray Scattering, w: Oxford Series on Synchrotron Radiation, No 7
(2007).
[15] T. Ruf, J. Serrano, M. Cardona, P. Pavone, M. Pabst, M.
Krisch, M. D’Astuto, T. Suski, I. Grzegory, M. Leszczynski,
„Phonon Dispersion Curves in Wurtzite-Structure GaN Determined by Inelastic X-Ray Scattering”, Phys. Rev. Lett. 86
(2001) 906.
[16] T. Ślęzak, J. Łażewski, S. Stankov, K. Parliński, R. Reitinger, M. Rennhofer, R. Rüffer, B. Sepiol, M. Ślęzak, N. Spiridis, M. Zając, A.I. Chumakov, J. Korecki, „Phonons at the
Fe(110) Surface”, Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 066103.
94
M. Gilski: Automatyzacja pomiarów synchrotronowych / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
AUTOMATYZACJA POMIARÓW SYNCHROTRONOWYCH
Mirosław Gilski
Wydział Chemii Uniwersytetu im. A. Mickiewicza i Centrum Badań Biokrystalograficznych
Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu
e-mail: mirek@amu.edu.pl
Współczesna krystalografia, w szczególności krystalografia białek, swój szybki rozwój zawdzięcza w dużej mierze
dostępności do promieniowania synchrotronowego. Promieniowanie to ma wiele cech i parametrów, które w znaczący
sposób pozwalają zwiększyć precyzję wykonywanych pomiarów jak również skrócić czas potrzebny na wykonanie
eksperymentu. Natężenie promieniowania synchrotronowego jest kilka tysięcy razy większe od natężenia promieniowania rentgenowskiego uzyskiwanego przy pomocy
tradycyjnych lamp rentgenowskich. O podobny rząd wielkości można również skrócić czas przebywania kryształu
w wiązce rentgenowskiej, co jest bardzo istotne ze względu
na delikatną naturę kryształów białkowych wrażliwych na
uszkodzenia radiacyjne. Inną cechą synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego jest możliwość otrzymania
promieniowania o różnych długościach fali. Pozwala to na
wykorzystanie nowych metod biokrystalograficznych opartych na zjawisku anomalnego rozpraszania (MAD – Multiwavelengh Anomalous Diffraction).
Obecnie na świecie pracuje około 60 synchrotronów,
a około 10 jest w różnych fazach budowy. Zdecydowana
większość z nich posiada dedykowane linie przeznaczone
do badań biokrystalograficznych (Rys. 1). W Europie znajduje się kilkanaście ośrodków synchrotronowych, które
oferują kilkadziesiąt dostępnych linii synchrotronowych
zaprojektowanych do badań strukturalnych białek.
Typowy synchrotronowy eksperyment rentgenowski (Rys. 2) oprócz problemów naukowych związany jest
z dużym przedsięwzięciem logistycznym. Na pomiary do
ośrodka synchrotronowego, oddalonego o kilkaset lub nawet kilka tysięcy kilometrów, na kilka dni musi pojechać
z reguły trzy- lub czteroosobowa grupa. Delegowanie takiej grupy wiąże się z dużymi nakładami pracy administracyjnej związanej z organizacją takiego wyjazdu. Są to
rezerwacje biletów, wynajęcie hotelu i mnóstwo różnych
formalności takich jak np. diety i polisy ubezpieczeniowe. Oprócz tego należy przygotować do transportu próbki przeznaczone do badań synchrotronowych. Ponieważ
kryształy białek są często delikatne i nietrwałe przechowuje się je i transportuje w temperaturze ciekłego azotu.
Zgodnie z przepisami ruchu lotniczego, przesyłkę taką musimy wysłać pocztą kurierską używając specjalnych pojemników transportowych (Dry Shipper). Pojemniki takie
zaprojektowane są do transportu lotniczego próbek biologicznych w temperaturach kriogenicznych. Wykonane one
są z wytrzymałego i lekkiego aluminium i wypełnione są
hydrofobowym absorbentem, który wchłania ciekły azot,
zapobiegając rozlewaniu podczas transportu.
W czasie pobytu w ośrodku synchrotronowym członko-
Rysunek 1. Stacja badawcza ID14 (ESRF, Grenoble) do
pomiarów dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego na
kryształach białkowych. Na pierwszym planie widać robot zmieniający próbki wraz z dewarem mieszczącym 50
próbek.
Rysunek 2. Schemat typowego eksperymentu w krystalografii białek. System DNA kontroluje wszystkie etapy
związane bezpośrednio z pomiarami synchrotronowymi.
wie grupy pracują w systemie trzyzmianowym, przez całą
dobę dozorując przebieg eksperymentu. Montują i centrują
nowe kryształy w wiązce rentgenowskiej, kontrolują i korygują w razie potrzeby parametry wiązki oraz rejestrują
a następnie procesują obrazy dyfrakcyjne.
Praktycznie we wszystkich ośrodkach synchrotronowych, które oferują linie synchrotronowe dedykowane dla
krystalografii białek, trwają intensywne i mocno już zaawansowane prace mające na celu automatyzację poszcze-
95
gólnych kroków eksperymentu.
Możemy tu wyróżnić dwie główne grupy procesów, na
których skupiają się obecnie inżynierowie.
1. Automatyzacja pozycjonowania i stabilności wiązki
promieniowania. Głównym zadaniem tego modułu jest
dostarczenie skupionej wiązki promieniowania rentgenowskiego o stabilnym natężeniu i długości fali. Auto-
Technology Platform for European Structural Genomics)
związanych z dostępem do linii synchrotronowych. Celem
tych projektów jest stworzenie jednolitego systemu i procedur służących do rozwiązywania struktur białek poprzez
udostępnienie użytkownikowi interfejsu, z którego mógłby
on zaplanować i przeprowadzić swój eksperyment zarówno
lokalnie i zdalnie ze swojego komputera osobistego.
Rysunek 3. Moduły systemu DNA. Podwójna linią zaznaczone są kluczowe moduły programu. Pozostałe moduły niezależnie wykonują różnego rodzaju zadania zlecone przez DNA.
matyczny system śledzenia wiązki rentgenowskiej monitoruje i koryguje pozycję oraz intensywność wiązki [1].
2. Automatyzacja rejestracji i procesowania danych dyfrakcyjnych. Zadaniem tej grupy jest umożliwienie zdalnego
precyzyjnego umieszczenia i wycentrowania kryształów
w wiązce rentgenowskiej, dostęp do procedur szybkiego
testowania jakości kryształów, rejestracja danych dyfrakcyjnych oraz wstępne procesowanie otrzymanych
danych.
Jednocześnie rozwijane jest oprogramowanie, które pozwala w inteligentny sposób integrować i sterować
wszystkimi modułami linii synchrotronowej [2]. Problemy
logistyczne i wysoki stopień skomplikowania pomiarów
synchrotronowych skłaniają do poszukiwania nowych rozwiązań i sposobów jeszcze bardziej efektywnego wykorzystania istniejących zasobów. Jedna z propozycji polega na
wysłaniu pocztą kurierską zamrożonych w ciekłym azocie kryształów białkowych do ośrodka synchrotronowego
i przeprowadzeniu pomiarów za pośrednictwem łączności
internetowej. Zaoszczędzi nam to wiele czasu i problemów
logistycznych.
W największym europejskim ośrodku synchrotronowym The European Synchrotron Radiation Facility
(ESRF) w Grenoble, od kilku lat wdrażanych jest kilka
finansowanych przez Unię Europejską projektów takich
jak e-HTPX (High Throughput Protein Crystallography)
i BioXHIT (Biocrystallography (X) on a Highly Integrated
Jednym z kluczowych elementów systemu e-HTPX
jest program komputerowy o nazwie DNA (automateD
collectioN of datA) (Rys. 3) [3]. Jest to zestaw programów
komputerowych zaliczany do grupy tzw. systemów ekspertowych, wspomagających podejmowanie rozsądnych decyzji w czasie rejestracji danych dyfrakcyjnych. Dodatkowo
umożliwia on zdalny dostęp do eksperymentu poprzez
prosty interfejs. System DNA komunikuje się i zarządza
wieloma niezależnymi modułami. Do najważniejszych należą:
• Moduł kontroli linii synchrotronowej (BMC)
• Moduł procesowania danych (DPM)
• Baza danych (ISPyB)
Moduł BMC (Rys. 4) ma pełną kontrolę i wszystkie informacje związane z aktualnym stanem stacji pomiarowej.
Steruje on robotem ASC (Automatic Sample Changer) [4],
który potrafi zidentyfikować nasz kryształ a następnie wyjąć
go z dewara z ciekłym azotem i zamontować go w wiązce.
Kryształy montowane są na specjalnie zaprojektowanych
magnetycznych półgłówkach, które znajdują się w magazynkach po 10 sztuk w każdym (Rys. 5). Dewar robota może
pomieścić 5 takich magazynków. Każda próbka oraz każdy
magazynek oznakowane są specjalnym kodem. Ponadto moduł BMC ma pełną kontrolę nad wszystkimi parametrami
dyfraktometru i detektora (Rys. 6).
Moduł procesowania danych [5],[6] odpowiada za analizę danych dyfrakcyjnych, testowanie jakości kryształów
96
Rysunek 4. Obraz programu MxCube modułu BMC zarządzającego przebiegiem pomiarów dyfrakcyjnych w
ośrodku synchrotronowym ESRF w Grenoble.
Rysunek 5. Magazynek mieszczący 10 kryształów przeznaczonych do badań używany przez robota ASC. Można
załadować 5 takich magazynków.
Rysunek 6. Główny interfejs systemu DNA pozwalający na bieżąco kontrolować poszczególne etapy eksperymentu.
oraz procesowanie danych przy pomocy zewnętrznego
programu MOSFLM [7]. Z kolei program BEST [8] wspomaga wybór najlepszej strategii rejestracji obrazów dyfrakcyjnych.
Wszystkie dane uzyskane z poszczególnych modułów
są analizowane przez system DNA a następnie zapisywane w bazie danych ISPyB (Information System for Protein
Crystallography Beamlines). Baza ta zawiera wszystkie
informacje dotyczące aktualnego eksperymentu i naszej
próbki.
Wszystkie opisane powyżej elementy zarówno sprzętu
jak i oprogramowania rozwijane są zgodnie ze standardami
opracowanymi na potrzeby programu SPINE (Structural
Proteomics in Europe) [9]. Dzięki temu istnieje łatwa możliwość przenoszenia całych systemów do innych ośrodków
synchrotronowych lub integracja poszczególnych elemen-
tów z istniejącymi rozwiązaniami [10]. Komunikacja pomiędzy niezależnymi modułami i programami zewnętrznymi odbywa się poprzez pliki zapisane w formacie XML.
Zarówno wszystkie polecenia przekazywane do modułu jak
również wyniki jego działania zapisywane i przekazywane
są w tym formacie. Pozwala to w prosty sposób dołączyć do
systemu dowolny program.
Obecny stopień zaawansowania europejskich projektów mających na celu bardziej efektywne wykorzystanie
zasobów synchrotronowych, umożliwia zdalne przeprowadzanie pomiarów dyfrakcyjnych w czasie kilku minut
[11 - 13]. Nie musimy przy tym organizować wyjazdu do
ośrodka synchrotronowego – wszystkie czynności związanie z przeprowadzeniem eksperymentu możemy wykonać
korzystając ze swojego, podłączonego do sieci komputerowej, komputera osobistego. Wcześniej musimy jedynie wysłać pocztą kurierską nasze kryształy.
97
W trakcie takiej sesji pomiarowej istnieje możliwość
sprawdzenia jakości wielu kryształów, monitorowania
i zmieniania parametrów linii pomiarowej oraz zarejestrowania danych dyfrakcyjnych, zgodnie z naszymi preferencjami. Efekty takiego w pełni kontrolowanego pomiaru,
w postaci obrazów dyfrakcyjnych i wyników procesowania
danych, można kilka minut później zobaczyć na ekranie
komputera.
W listopadzie ubiegłego roku z siedziby Centrum Badań
Biokrystalograficznych (CBB) w Poznaniu przeprowadzono po raz pierwszy całkowicie zdalny pomiar dyfrakcyjny
w największym europejskim ośrodku synchrotronowym
ESRF w Grenoble [14] (Rys. 7). Łączność pomiędzy CBB
i ESRF nawiązano za pośrednictwem Internetu, a oprogramowanie DNA umożliwiło operowanie linią synchrotronową i kryształami białkowymi w Grenoble za pośrednictwem klawiatury i myszy komputera osobistego.
Ten udany eksperyment otwiera perspektywy dla
prowadzenia synchrotronowych pomiarów krystalograficznych praktycznie z dowolnego miejsca, dając przy
tym możliwość pełnej kontroli nad prowadzonym eksperymentem.
Rysunek 7. Zdalna sesja pomiarowa w ośrodku synchrotronowym ESRF przeprowadzona z CBB IBCh PAN w
Poznaniu.
[8] Bourenkov, G. P. & Popov, A. N., Acta Crystallogr. D 62
(2006) 58-64.
[9] F. Cipriani F. Felisaz, L. Launer, J.-S. Aksoy, H. Caserotto,
S. Cusack, M. Dallery, F. di-Chiaro, M. Guijarro, J. Huet, S.
Larsen, M. Lentini, J. McCarthy, S. McSweeney, R. Ravelli, M. Renier, C. Taffut, A. Thompson, G.A. Leonard, M.A.
Walsh, Acta Crystallogr. D 62 (2006) 1251-1259.
[10]A. Beteva, F. Cipriani, S. Cusack, S. Delageniere, J. Gabadinho, E.J. Gordon, M. Guijarro, D.R. Hall, S. Larsen, L.
Launer, C.B. Lavault, G.A. Leonard, T. Mairs, A. McCarthy,
J. McCarthy, J. Meyer, E. Mitchell, S. Monaco, D. Nurizzo,
P. Pernot, R. Pieritz, R.G.B. Ravelli, V. Rey, W. Shepard, D.
Spruce, D.I. Stuart, O. Svensson, P. Theveneau, X. Thibault,
J. Turkenburg, M. Walsh, S.M. McSweeney, Acta Crystallogr. D 62 (2006) 1162-1169.
[11] W.A. Hendrickson, Trends Biochem. Sci. 25 (2000) 637643.
[12]A. Cassetta, A.M. Deacon, S.E. Ealick, J.R. Helliwell, A.W.
Thompson, J. Synchrotr. Radiat. 6 (1999) 822-833.
[13]M.A. Walsh, I. Dementieva, G. Evans, R. Sanishvili, A. Joachimiak, Acta Crystallogr. D 55 (1999) 1168-1173.
[14]M. Jaskolski, M. Gilski, Academia 2(10), (2007) 8-11.
Literatura
[1] S. Arzt et al., Prog. Biophys. Mol. Biol. 89 (2005) 124-152.
[2] A. Beteva et al., Acta Crystallogr. D 62 (2006) 1162-1169.
[3] A.G.W. Leslie, H.R. Powell, G. Winter, O. Svensson, D.
Spruce, S. McSweeney, D. Love, S. Kinder, E. Duke, C.
Nave, Acta Crystallogr. D 58 (2002) 1924-1928.
[4] G. Snell, C. Cork, R. Nordmeyer, E. Cornell, G. Meigs, D.
Yegian, J. Jaklevic, J. Jin, R. Stevens, T. Earnest, Structure
12 (2004) 537-545.
[5] J. L. Ferrer, Acta Crystallogr. D 57 (2001) 1752-1753.
[6] M. Roth, P. Carpentier, O. Kaikati, J. Joly, P. Charrault, M.
Pirocchi, R. Kahn, E. Fanchon, L. Jacquamet, F. Borel, A.
Bertoni, P. Israel-Gouy, J.-L. Ferrer, Acta Crystallogr. D 58
(2002) 805-814.
[7] A.G.W. Leslie, Acta Crystallogr. D. 62 (2006) 48-57.
98
J.B. Pełka: Promieniowanie synchrotronowe w biologii i medycynie /
PROMIENIOWANIE SYNCHROTRONOWE W BIOLOGII I MEDYCYNIE
J.B. Pełka *
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Al. Lotników 32/46, PL 02-668 Warsaw, Poland
Keywords: biomedical beamlines, X-ray imaging, radiotherapy, in-vivo imaging, molecular medicine
*) e-mail: pelkay@ifpan.edu.pl
Streszczenie: W artykule przedstawiono obecny stan zastosowań promieniowania synchrotronowego w dziedzinie medycyny i
biologii. Porównano istniejące i projektowane synchrotrony oraz linie konstruowane pod kątem specyfiki radiologii biomedycznej. Omówiono najczęściej stosowane synchrotronowe metody obrazowania, diagnostyki i radioterapii.
Synchrotron radiation in biology and medicine.
Abstract: This work is focused on a present status of SR sources and applications in medicine and biology to imaging, diagnostics and radiotherapy. A concise review of chosen typical synchrotron techniques is shown with a discussion of their specific
properties.
1. Wstęp
Na czele najważniejszych wyzwań nauki i technologii stoją te, które są związane z kondycją zdrowotną człowieka,
z jakością jego indywidualnego i społecznego bytu. Postęp
jaki dokonuje się od lat w dziedzinie medycyny poparty
osiągnięciami nauk biologicznych, fizyki i chemii stworzył solidne podstawy do znaczącego zwiększenia średniej
długości ludzkiego życia. Widać to wyraźnie szczególnie
w państwach Unii Europejskiej, Japonii i w Stanach Zjednoczonych Ameryki. Stało się to możliwe dzięki zrozumieniu
istoty wielu procesów patologicznych zakłócających funkcjonowanie organizmów żywych i wprowadzeniu nowych
skutecznych technik leczenia. Opracowanie racjonalnych
sposobów profilaktyki i szerokie rozpropagowanie środowiskowych i indywidualnych zasad „zdrowego życia” jest
innym, nie mniej ważnym skutkiem tej ponad stuletniej rewolucji w naukach biomedycznych.
Jednak na wiele chorób, mimo olbrzymiego wysiłku
badawczego, nadal nie ma dosyć skutecznych terapii. Wraz
z wydłużeniem życia, wyodrębniły się grupy tzw. chorób
„cywilizacyjnych” i „trzeciego wieku”, zajmujących w statystykach zachorowalności i umieralności pierwsze pozycje. Należą do nich m. in. nowotwory, miażdżyca i jej
konsekwencje (wylewy i zatory różnych narządów, przede
wszystkim serca i mózgu), choroba Alzheimera, choroby
metaboliczne (np. cukrzyca) i wiele, wiele innych. Dzisiaj
umiemy skutecznie przedłużyć życie, lecz nie mamy dobrych narzędzi, by to dłuższe życie przebiegało w zdrowiu. Struktura demograficzna świata, łatwość i masowość
przemieszczania się ludzi nawet na wielkie odległości (dwa
miliardy pasażerów samolotów rocznie!), powszechne stosowanie substancji i technologii o nieznanej interakcji ze
środowiskiem i z organizmem człowieka, zwiększa poważnie ryzyko, że mutacyjna ruletka ewolucji patogenów
przyspieszy, a zrodzony w jej wyniku wysoce zaraźliwy
wirus czy bakteria błyskawicznie rozniosą się wywołując
pandemię.
To, jak sprawnie będziemy umieli stawić czoło wymienionym i innym groźnym wyzwaniom zależy od dalszego
postępu w zrozumieniu szczegółów procesów fizjologicznych, mechanizmów prowadzących do choroby, interakcji
leków z organizmem, w opracowaniu skutecznych leków
i terapii, w rozwoju precyzyjnych, nieinwazyjnych i tanich
technik diagnostycznych. W tym celu niezbędne jest zastosowanie najnowocześniejszych i najsilniejszych instrumentów, jakie do tej pory wynaleziono. Należą do nich źródła
Rola promieniowania synchrotronowego we współczesnej nauce i technologii jest nie do przecenienia. Dziś na całym świecie pracuje ok. 70-80 dużych synchrotronów wytwarzających setki wiązek promieniowania o własnościach
nieosiągalnych przez wiązki z innych źródeł światła. Nie
ma liczącego się w nauce i technologii państwa, które nie
dysponowałoby przynajmniej jednym działającym synchrotronem. Wśród wielkiej różnorodności eksperymentów wykorzystujących promieniowanie synchrotronowe dominują
obecnie badania z zakresu fizyki materii skondensowanej,
chemii i inżynierii materiałów.
Od ponad trzydziestu lat promieniowanie synchrotronowe (SR) jest intensywnie wykorzystywane w naukach
biologicznych (life sciences) i medycynie. Przewiduje się,
że zastosowania synchrotronów zostaną zdominowane
przez projekty badawcze z tych dwóch dziedzin . Dostępność silnych rentgenowskich wiązek SR otworzyła nowe
możliwości badania form życia na wielu poziomach, od
całych organizmów, w tym człowieka, poprzez narządy
i tkanki aż do komórek i struktur subkomórkowych. Źródła SR stanowią również doskonałe narzędzie pozwalające
precyzyjnie określać struktury aktywnych biologicznie
molekuł.
Ponad 80% struktur białkowych spośród prawie 40 000
zgromadzonych dziś w naukowych bazach danych (PDBProtein Data Bank) wyznaczono dzięki promieniowaniu
synchrotronowemu. Ich znajomość pozwala dokładniej
zrozumieć podstawy procesów życiowych, czy wniknąć
w mechanizmy interakcji leków z organizmem i z patogenami. Z tej wiedzy większość z nas może skorzystać na co
dzień biorąc nowy, skuteczniejszy i mniej toksyczny lek
99
czy poddając się nowoczesnemu badaniu diagnostycznemu.
Zastosowanie promieniowania synchrotronowego pozwala
badać zjawiska biologiczne w żywych organizmach, wraz
z ich dynamiką, nie tylko metodami obrazowania, lecz
przy wykorzystaniu licznych technik spektroskopowych.
W różnych fazach opracowania są nowe, specyficzne dla
SR techniki diagnostyczne i terapeutyczne, zaprojektowane dla klinicznych zastosowań na żywych pacjentach [1].
Artykuł poświęcono zwięzłemu przeglądowi podstawowych aspektów zastosowania źródeł promieniowania synchrotronowego w medycynie i biologii. Skoncentrowano
się na charakterystyce istniejących i planowanych synchrotronów umożliwiających badania biomedyczne. Omówiono
również podstawowe metody synchrotronowej radiologii
medycznej.
Tabela 2. Własności radiologiczne wybranych tkanek dla
fotonów o energii 40 keV [4].
Tabela 1. Typowe energie fotonów w różnych metodach
radiologii klinicznej i radioterapii
Energie fotonów
(keV)
Mammografia
17-20
Stomatologia
60-70
Radiografia klatki piersiowej
50-70
Radioterapia
30-400
Koronarografia
50 (Z kontrastem Gd)
Z/A
Gęstość,
ρ (g/cm3)
Wsp. absorpcji masowej,
μ/ρ @ 40 keV
cm2/g
Dł. absorpcji @ 40
keV cm
Tkanka tłuszczowa
0.5558
0.950
0.2396
4.3933
Woda
0.5551
1.000
0.2683
3.7272
Tkanka piersiowa
0.5520
1.020
0.2530
3.8751
Tkanka mózgowa
0.5524
1.040
0.2702
3.5586
Tkanka płucna
0.5505
1.050
0.2699
3.5286
Mięsień szkieletowy
0.5500
1.050
0.2685
3.5470
Krew
0.5500
1.060
0.2715
3.4748
Kość – istota zbita
0.5148
1.920
0.6655
0.7826
lamp z rotującą anodą miedzianą, wyrażona w jednostkach
stosowanych do charakteryzacji jasności (skolimowanego)
promieniowania synchrotronowego nie przekracza 1010 fotonów/s • mrad 2 • mm2 • 0.1%BW [3]. Jasność wiązek promieniowania synchrotronowego (po monochromatyzacji)
mieści się w zakresie od 1011 do 1020 fotonów/s • mrad 2 •
mm2 • 0.1%BW, zależnie od typu i parametrów pracy źródła synchrotronowego [3].
Promieniowanie synchrotronowe wytwarzane jest dzisiaj najczęściej w akceleratorach kołowych zwanych synchrotronami lub pierścieniami akumulacyjnymi*. Typowe
energie fotonów w wiązkach synchrotronowych przeznaczonych do zastosowań biologiczno-medycznych wynoszą
zwykle od 8-10 keV do 90-150 keV. Jednak w badaniach
naukowych i w różnych technikach diagnostycznych nacelowanych na badania tkanek, komórek i struktur subkomórkowych, wykorzystuje się również wiązki fotonów o niższych energiach, włącznie z miękkim promieniowaniem
rtg., ultrafioletem, aż do zakresu podczerwieni. Dla większości zastosowań w dziedzinie diagnostyki i radioterapii
żywych organizmów) potrzebne są wiązki o jak najwyższym natężeniu. Wygodne jest również, aby cały, szeroki
zakres energii fotonów wytwarzany był przez jedno polichromatyczne źródło. Optymalne dla celów medycznych są
wiązki wytwarzane w magnesach stałych (BM) – bending
magnets) i wigglerach na synchrotronach pracujących przy
energii wiązki elektronów co najmniej 2-2.4 GeV i o możliwie dużym prądzie akceleratora. By uzyskać większe natężenie promieniowania, gdzie to możliwe, instaluje się jako
źródła wigglery z silnym polem magnetycznym. Undulatory są w tym celu stosowane sporadycznie.
Wiązki SR o dużym natężeniu pozwalają osiągnąć
moce dawki przekraczające 20 000 Gy/s (równoważne ok.
40 kW mocy białego promieniowania rentgenowskiego,
np. z silnego wigglera). W odróżnieniu od „statycznych”
badań materiałów niebiologicznych, rentgenowskich metod
biologii strukturalnej czy obrazowania martwych prepara-
2. Źródła promieniowania synchrotronowego dla biologii i medycyny
Energie fotonów wykorzystywanych w różnych metodach
rentgenowskiej radiologii medycznej mieszczą się w zakresie 10-400 keV (zob. Tabela 1). Wiązki o energiach fotonów
powyżej 120-150 keV stosuje się przede wszystkim w radioterapii. Ludzkie ciało jest w praktyce nieprzezroczyste
dla fotonów o energiach poniżej 10 keV.
Specyfika obrazowania obiektów biologicznych za po-
Zastosowanie
Materiał
mocą promieniowania rentgenowskiego wiąże się z kilkoma czynnikami. Do najważniejszych należy niewielkie
zróżnicowanie własności absorpcyjnych różnych typów
tkanek. Zilustrowano to w Tabeli 2 [2]. Widać, że jedynie rentgenowska gęstość (wyrażona długością absorpcji)
tkanki kostnej wyraźnie różni się od innych. Jest to zgodne z powszechnym doświadczeniem. Na rentgenogramach
np. klatki piersiowej, najłatwiej zobaczyć kości. Miękkie
tkanki niewiele się różnią od siebie własnościami radiologicznymi. Zmiany ich gęstości rentgenowskiej zwykle
nie są większe niż 1-5%. Stwarza to szczególne trudności
w uzyskiwaniu obrazu o diagnostycznie wartościowym
kontraście, który musi być osiągnięty przy ekspozycji na
jak najmniejsze dawki promieniowania.
W klasycznej radiologii klinicznej wiązki rentgenowskie wytwarzane są przez konwencjonalne lampy rentgenowskie. Intensywność promieniowania, jaką można
uzyskać z typowej silnej lampy medycznej wynosi ok. 1012
fotonów/s • 4π2 (we wszystkich kierunkach, bez kolimacji); jasność promieniowania linii CuKα z najsilniejszych
Nie będziemy tu rozróżniać między synchrotronem a pierścieniem akumulacyjnym, przyjmując dla nich wspólną nazwę „synchrotron”, która oznacza tu „synchrotron elektronowy” (lub pozytronowy) zaprojektowany specjalnie jako źródło użytecznego
*
100
Od około dekady dominuje w projektowaniu nowych synchrotronów tendencja do budowy urządzeń
średniej wielkości, o energii wiązki między 2.4 GeV
a 3.5 GeV i obwodzie rzędu 170-300 m. Spośród trzynastu zbudowanych lub zaprojektowanych po roku 2000
(uwzględnionych w Tabeli 3), tylko trzy synchrotrony,
DIAMOND (Chilton) projektowany NSLS II (Brookhaven) oraz budowany PETRA III (Hamburg) mają znacnie większy obwód, odpowiednio 561.6, 791.5 i 2304
m. Ułatwia to uzyskiwanie wiązek o niskiej emitancji,
szczególnie pożądanej w wielu zastosowaniach. Petra
III, o energii wiązki 6 GeV jest jedynym w tej grupie
przedstawicielem dużych synchrotronów.
Inny wyraźny trend ostatniej dekady, to stosowanie
wigglerów nadprzewodzących o dużym polu magnetycznym, rzędu 4-5 T, jako źródeł intensywnego białego promieniowania synchrotronowego. Wydaje się, że
jest to rozwiązanie optymalne także dla dedykowanej
wiązki medycznej na średniej wielkości urządzeniu.
W synchrotronie w pełni wyposażonym (co następuje zwykle dopiero po kilku latach od jego uruchomienia) można jednocześnie wykonywać badania na
kilkunastu, a nawet na 30-40 stanowiskach (ESRF,
Doris III). Konstruowane obecnie synchrotrony III generacji [4] zapewniają nieprzerwaną, całodobową, stabilną pracę przez około 300 dni w roku. Oznacza to, że
maksymalny dostępny czas do wykorzystania na jednej
wiązce przekraczać może w ciągu roku 8 tys. godzin,
a na wszystkich wiązkach daje to około 120-160 tys.
„wiązkogodzin” (zakładając 20 linii pracujących jednocześnie). Widać z tego oszacowania, jak duże możliwości badawcze niesie z sobą synchrotron.
tów tkankowych, w obrazowaniu żywych organizmów tak
wielkie natężenia są pożądane, by minimalizować czas ekspozycji (nie przekraczając dopuszczalnych dawek). Umożliwia to z jednej strony obrazowanie dynamiki narządów
wewnętrznych organizmu, a z drugiej ułatwia uniknięcie
rozmycia obrazu na skutek ich fizjologicznych ruchów, np.
w koronarografii czy bronchografii.
Duże natężenia białej wiązki rtg. ułatwiają też otrzymywanie silnych wiązek monochromatycznych. Zależnie
od stopnia monochromatyzacji i właściwości optyki rentgenowskiej natężenie wiązki na wyjściu monochromatora
jest niższe o 2-6 rzędów wielkości. W „najgorszym” więc
przypadku niezbyt silnego źródła synchrotronowego uzyskane po monochromatyzacji natężenie może być tylko
niewiele większe od natężenia białej wiązki z silnej konwencjonalnej lampy rtg.
Innym powodem dążenia do maksymalizacji natężenia
na synchrotronowych liniach medycznych jest potrzeba
stosowania wiązek o dużym przekroju, przy zachowaniu
pewnej minimalnej wartości powierzchniowej mocy dawki promieniowania. Do wiązek o największym przekroju
w pozycji próbki, 300×20 mm2, należy wiązka na linii
medycznej BL20B2 synchrotronu SPring-8. Osiągnięto to
dzięki wydłużeniu drogi wiązki do ok. 280 m. (od źródła
do hali eksperymentalnej).
Powyższy przykład ilustruje jednocześnie typowy dla
synchrotronów stopień kolimacji wytwarzanych na nich
wiązek promieniowania, charakteryzujący się w przypadku
linii BL20B2 rozbieżnością 1.5 mrad × 0.06 mrad (H×V).
Wszystkie typy źródeł synchrotronowych, BM, wigglery
i undulatory wytwarzają silne, dobrze skolimowane wiązki
o wysokim stopniu polaryzacji i koherencji. Podobne własności wiązek nie są osiągalne w przypadku klasycznych
źródeł promieniowania rentgenowskiego. Inną, istotną
w wielu przypadkach cechą promieniowania synchrotronowego jest jego struktura czasowa. Ma ono charakter impulsowy, z typowym czasem trwania pojedynczego impulsu
(ang. bunch) rzędu 100 ps. W nowszych urządzeniach impulsy te bywają jeszcze krótsze, rzędu dziesiątek pikosekund.
W Tabeli 3. przedstawiono wybrane parametry charakteryzujące działające, konstruowane i projektowane synchrotrony na świecie. Uwzględniono tylko średnie i duże
synchrotrony, czyli te, które pracują przy energiach wiązki
co najmniej 2.4 GeV. Kolumny 2-6 odnoszą się do ogólnych
własności synchrotronów. W kolumnach 7-14 scharakteryzowano funkcjonujące (lub budowane) wiązki „dedykowane” – specjalnie zaprojektowane do badań biomedycznych.
W kolumnie 14 wymieniono podstawowe metody, które
można stosować na danej wiązce. Znaczenie zastosowanych do opisu akronimów wyjaśniono w dodatkowej Tabeli
4. Należy tu dodać, że na większości synchrotronów nie zaopatrzonych w dedykowane wiązki medyczne przeprowadza się wybrane eksperymenty na preparatach tkankowych
czy całych organizmach. Dotyczy to zwłaszcza metod nie
wymagających wysokich energii fotonu czy bardzo dużych
natężeń, jak np. obrazowanie preparatów tkankowych metodami kontrastu fazowego.
3. Wybrane metody wykorzystujące promieniowanie
synchrotronowe w biologii i medycynie
Zastosowania promieniowania synchrotronowego
w dziedzinie medycyny podzielić można na cztery
główne kategorie.
Pierwszą z nich stanowią badania naukowe w ścisłym tego słowa znaczeniu; ich celem jest poznanie
zjawisk towarzyszących fizjologii i patologii procesów
życiowych, opracowanie nowych metod diagnostyki
i terapii, czy określenie wpływu różnych technik medycznych na organizmy ludzi, zwierząt i roślin. Synchrotronowe źródła promieniowania są szczególnie
przydatne dla tego rodzaju zastosowań.
Przykładem problematyki naukowej szeroko reprezentowanej w badaniach synchrotronowych są
zagadnienia dotyczące struktury, funkcji i patologii
ośrodkowego układu nerwowego zwierząt i człowieka.
Zagadnienia te należą do najtrudniejszych wyzwań biologii.
Mimo wieloletniego wysiłku badawczego wiele
aspektów funkcjonowania mózgu pozostaje nadal niewyjaśnionych. Badania takie mają szczególne znaczenie
w kontekście faktu, że najczęściej występujące złośliwe
guzy mózgu mają silną tendencję do rozprzestrzenia-
101
Tabela 3. Synchrotrony o energii wiązki powyżej 2.3 GeV i zbudowane przy nich wiązki przeznaczone do badań w dziedzinie
medycyny i biologii. Wyjaśnienia w tekście.
W kolumnie 11 w przypadku undulatora podano zamiast energii krytycznej energię fotonów I harmonicznej. b Typy źródeł: BM
– magnes zakrzywiający, W – wiggler, SCW- wiggler nadprzewodzący, U – undulator. c Stan obecny: O – pracuje, P – projekt, C
– w fazie budowy. d w przypadku nowych synchrotronów druga data oznacza planowany rok pełnego rozruchu.
a
102
mienionych metod i możliwość ich wykorzystania do celów diagnostyki klinicznej (np. na synchrotronie ALS we
współpracy z Uniwersytetem w Monash w Australii).
Trzecia kategoria zastosowań promieniowania synchrotronowego w dziedzinie medycyny obejmuje terapię, przede wszystkim onkologiczną. Jako najbardziej obiecujące
metody wymienia się tu mikrowiązkową terapię rentgenowską (MRT) oraz terapię aktywowaną fotonami (PAT).
Wykazano na zwierzętach, że mikrowiązkowa terapia promieniowaniem synchrotronowym skutecznie niszczy chore
komórki guza mózgu oszczędzając jednocześnie przyległe
zdrowe tkanki - normalne komórki mózgu i tkanki łącznej.
Pozwala to na uniknięcie nekrozy i zachowanie strukturalnej i funkcjonalnej integralności mózgu. Prowadzi się
również prace, których celem jest powiązanie informacji
diagnostycznej i terapii. Przykładem jest tu projekt zastosowania otrzymanej za pomocą wspomnianej wcześniej
synchrotronowej mikroskopii w podczerwieni z synchrotronową terapią mikrowiązkową. Metody MRT i PAT zostaną dokładniej przedstawione w dalszej części pracy.
Czwartą kategorię biomedycznych zastosowań promieniowania synchrotronowego tworzą prace mające na celu
adaptację udoskonalonych lub nowo opracowanych technik
pomiarowych, diagnostycznych i terapeutycznych do specyfiki konwencjonalnej aparatury laboratoryjnej, aby można było z nich korzystać poza synchrotronem.
Tabela 4. Rozwinięcia akronimów ważniejszych metod biomedycznej radiologii synchrotronowej i terminów synchrotronowych.
CT
Computer Tomography,
μCT
micro CT
MRT
Microbeam RadioTherapy
PAT
Photon Activated Therapy
KES
K-edge Subtration = Dichromography
MIR
Multiple Image Radiography
CAI
Conventional Absorption Imaging
PCI
Phase Contrast Imaging
USAXS
Ultra Small Angle X-ray Scattering
SAXS
Small Angle X-ray Scattering
WAXS
Wide Angle X-ray Scattering
BM
Bending Magnet
W
Wiggler
SCW
SuperConducting Wiggler
U
Undulator
nia się i są trudne do usunięcia za pomocą konwencjonalnych terapii onkologicznych takich jak neurochirurgia czy
radioterapia. Powodem jest fakt, iż terapie te powodują
z reguły zniszczenia także zdrowej tkanki mózgowej czego skutkiem mogą być trwałe uszkodzenia funkcji mózgu.
Oczekuje się, że zastosowanie promieniowania synchrotronowego pozwoli opracować metody diagnostyki guzów
mózgu analogicznie, jak w przypadku nowotworów sutka
[13].
Drugą kategorię stanowią zastosowania diagnostyczne.
Ich celem jest precyzyjne rozpoznawanie stanów patologicznych. Należą tu wszelkie metody obrazowania – zarówno „klasyczne” oparte na kontraście absorpcyjnym, jak
i nowe techniki, specyficzne dla źródeł synchrotronowych,
które wykorzystują zasady kontrastu fazowego. W diagnostyce przydatne są także techniki wykorzystujące fotony
z innych obszarów widma, jak np. promieniowanie podczerwone – zarówno mikroskopia IR (obrazowanie) jak
i spektroskopia.
Stan chorobowy związany jest ze zmianami w biochemii komórek lub tkanek, które to zmiany wpływają na
strukturę tych obiektów. Teoretycznie więc, odpowiednio
czuła metoda badania molekularnej struktury tkanek powinna pozwolić na wykrycie obecności stanu patologicznego. Założenie to leży u podstaw rozwoju wielu różnych
technik eksperymentalnych, które mogą dostarczyć informacji o strukturze molekularnej żywych tkanek. Próbuje
się stosować m. in. SAXS (Small Angle X-ray Scattering),
który pozwala wychwycić subtelne zmiany uporządkowania molekuł w strukturach międzykomórkowych (extracellular matrix). Inną metodą perspektywiczną dla diagnostyki, rozwijaną w ośrodkach synchrotronowych jest
spektroskopia w podczerwieni. Na przykład na kanadyjskim źródle synchrotronowym CLS (Saskatoon) prowadzi
się prace mające na celu zastosowanie mikrospektroskopii
w zakresie podczerwieni do identyfikacji i lokalizacji komórek guza mózgu. Bada się też zakres stosowalności wy-
3.1. Obrazowanie z wykorzystaniem kontrastu
absorpcyjnego
Formowanie kontrastu absorpcyjnego jest związane z efektywnymi liczbami atomowymi i z gęstościami elektronowymi materiałów. Liniowe współczynniki absorpcji są
funkcją tych wielkości, zależą też od energii fotonów. Klasyczne lampy rentgenowskie wytwarzają promieniowanie
charakterystyczne razem z promieniowaniem hamowania
o ciągłym rozkładzie widma. Nawet z filtrami absorpcyjnymi, zmniejszającymi wkład promieniowania ciągłego
w emitowanej wiązce, kontrast i rozdzielczość obrazu jest
obniżona na skutek szeregu efektów, związanych z wielkością ogniska, brakiem spójności źródła, „rozmyciem”
współczynników absorpcji po energii, oraz względnie
dużymi szumami generowanymi wskutek rozproszeń fotonów o „nieodpowiedniej” energii i kierunku. Zastosowanie synchrotronowego źródła promieniowania, zwłaszcza
monochromatycznego, poprawia kontrast i rozdzielczość
„klasycznych” metod absorpcyjnych, dzięki jego typowym
własnościom: dobrej kolimacji wiązki, niewielkim kątowym rozmiarom źródła, częściowej koherencji i możliwości łatwej optymalizacji długości fali.
Poprawę kontrastu absorpcyjnego w synchrotronowych
metodach obrazowania uzyskać można przez zastosowanie
monochromatycznej wiązki promieniowania o długości fali
starannie dobranej do rodzaju środka cieniującego (znacznika). Jedną z najwcześniej wprowadzonych metod diagnostyki synchrotronowej była angiografia, którą zastosowano
klinicznie m in. na synchrotronach NSLS (Brookhaven),
DORIS III (Hamburg) [14] i w KEK (Tsukuba) [15].
103
Opracowano też inne, ściśle synchrotronowe metody
poprawy obrazu, jak np. dichromografię, po raz pierwszy
zastosowaną w SSRL, (Berkeley) do koronarografii, diagnozując pierwszych pacjentów już w 1986 r. Polega ona na
jednoczesnym zastosowaniu dwu wiązek monochromatycznych o długościach fali tuż poniżej oraz tuż powyżej
krawędzi absorpcji pierwiastka znacznika. Diagnostyka
metodą dichromografii pozwala zarejestrować bardzo małe
różnice gęstości pierwiastka znakującego, w przypadku
jodu - typowo poniżej 1 mg/cm2. Umożliwia jednocześnie
ponad stukrotne obniżenie stężenia podawanego dożylnie
znacznika, co znacznie zmniejsza ryzyko powikłań. Na
synchrotronie DORIS III (Hamburg), dzięki systemowi
NIKOS opartemu na tej metodzie, przebadano do roku
2001 prawie czterystu pacjentów. W rezultacie wykazano
wysoką rozdzielczość przestrzenną metody pozwalającą na
uchwycenie zmian w naczyniach wieńcowych o średnicach
aż do 0.6-0.8 mm, oraz na obrazowanie rezultatów wprowadzenia stentów i bypassów. Potwierdzono, że synchrotronowa dichromografia stanowi nową, minimalnie inwazyjną technikę obrazowania naczyń wieńcowych.
W systemie NIKOS rejestrowano jednocześnie dwa
monochromatyczne obrazy, poniżej i powyżej krawędzi
absorpcji K jodu. Odejmowano je logarytmicznie, dzięki
czemu powstawał obraz z maksymalnie wzmocnionym
kontrastem mapującym rozkład znacznika jodowego.
U pacjentów nie zanotowano żadnych powikłań w związku z zastosowaniem procedury angiograficznej. Rezultaty
pokazały, że prawdopodobieństwo powikłań w wyniku
badania jest znikome [16]. Wykazano szereg zalet dichromografii nad innymi klasycznymi metodami obrazowania
stanu naczyń krwionośnych - rezonansem magnetycznym
(MRI), tomografią komputerową za pomocą wiązek elektronowych (EBCT) oraz nad wielowarstwową (multi-slice)
tomografią komputerową (MSCT). W przypadku dichromografii, rozdzielczość przestrzenna była conajmniej trzycztery razy wyższa. Oceny stanu segmentów tętnic wieńcowych na podstawie uzyskanych radiografii nie zakłócały
ani zwapnienia naczyń, ani też obecność metalowych stentów (MRI). Jednocześnie, znikły całkowicie problemy powodowane przez ruchy układu oddechowego [17]. Podobne
badania prowadzono również na synchrotronie KEK-PF
w Tsukubie, gdzie wykonuje się trójwymiarowe obrazowanie naczyń wieńcowych, na linii medycznej ID-17 w ESRF
(Grenoble) [18] i na synchrotronie NSLS (Brookhaven). Dichromografię stosowano także do obrazowania pracy płuc
(bronchografia), wykorzystując jako znacznik (substancję
kontrastującą) inhalowany przez pacjenta ksenon. Pozwala
to na obserwację oskrzelików o średnicach poniżej 1 mm.
gdy absorpcja jest pomijalnie mała [1,19]. Na dodatek obraz
można zarejestrować przy niższej dawce promieniowania
i ma on wyższą rozdzielczość.
W synchrotronowej diagnostyce radiologicznej stosuje
się kilka różnych technik wykorzystujących kontrast fazowy (PC – Phase Contrast), zależnie od długości fali, właściwości źródła i badanego obiektu. Najważniejsze z nich to:
radiografia kontrastu fazowego, obrazowanie wzmocnione
dyfrakcyjnie (DEI – Diffraction Enhanced Imaging) oraz interferometria rentgenowska (XRI – X-Ray Interferometry).
Ta ostatnia metoda, charakteryzująca się bardzo wysoką
czułością, wymaga jednak stosowania monolitycznego interferometru rentgenowskiego, Z tego względu jej użyteczność jest obecnie ograniczona do obiektów nie przekraczających wielkości małych zwierząt.
W metodzie obrazowania wzmocnionego dyfrakcyjnie (DEI) na formowanie kontrastu obrazu wpływają zarówno absorpcja rentgenowska, refrakcja jak i odcięcie
rozproszeń pod małymi kątami (ekstynkcja). Odróżnia to
tę metodę od konwencjonalnych metod radiograficznych,
w których na formowanie obrazu ma wpływ jedynie absorpcja. DEI realizuje się stosując monochromatyczną
wiązkę rentgenowską i umieszczając kryształ analizatora
między badanym obiektem a detektorem. Analizator działa jak filtr kątowy, odcinając promieniowanie rozproszone
pod niewielkimi kątami. Dzięki temu powstający obraz jest
prawie całkowicie pozbawiony zakłóceń pochodzących od
promieniowania rozproszonego. DEI “wzmacnia” kontrast
obrazu miękkich tkanek, które, jak już wspomniano, nie
wytwarzają dostatecznie silnego kontrastu absorpcyjnego.
Co więcej, dostrajając odpowiednio kątowe położenie analizatora można uzyskać informację zawartą w rozkładzie
rozproszonego natężenia pod bardzo małymi kątami (zwykle poniżej mikroradiana). Metoda ta daje możliwość całkowitego oddzielenia od siebie czystego efektu absorpcyjnego od czystego efektu refrakcyjnego w sposób ilościowy
[20].
Metody PC stosowano z powodzeniem do obrazowania
tkanki piersiowej (mammografia) na linii medycznej SYRMEP synchrotronu ELETTRA (Trieste) uzyskując niezwykłą rozdzielczość i kontrast w porównaniu z metodami tradycyjnymi [21,22]. Rejestracja obrazów wymaga przy tym
znacząco mniejszych, nawet o 30-40% dawek promieniowania, w stosunku do metod tradycyjnych. Rezultaty kilkuletnich badań prowadzonych na linii SYRMEP okazały
się tak zachęcające, że od kwietnia 2007 r. rozpoczęto fazę
eksperymentów klinicznych z udziałem pacjentów w ramach projektu SYRMA. Głównym zadaniem projektu jest
udoskonalenie metody mammografii z użyciem promieniowania synchrotronowego. W pierwszej fazie, obrazy mammograficzne będą rejestrowane przy użyciu konwencjonalnego systemu ekran-film, który wkrótce zastąpi detektor
z matrycą cyfrową sprzężony z komputerowym modułem
analizy obrazu. [23].
3.2. Obrazowanie z wykorzystaniem kontrastu fazowego
Kontrast fazowy formuje się w wyniku przesunięć fazowych wytwarzanych przez obiekt w przechodzącej koherentnej wiązce rentgenowskiej. W zakresie energii fotonów
15-25 keV kontrast fazowy jest ponad tysiąc razy bardziej
czuły na niewielkie różnice struktury i składu miękkich
tkanek w porównaniu do metod absorpcyjnych. Dzięki
temu, efekty fazowe można obserwować nawet wówczas,
3.3. Radioterapia z użyciem promieniowania synchrotronowego
W radioterapii konwencjonalnej (przy użyciu lamp rent-
104
genowskich lub źródeł jądrowych) naświetlanie guzów,
przede wszystkim mózgu, jest szczególnie złożonym zagadnieniem. Stosowanie wysokich dawek promieniowania
koniecznych dla zniszczenia guza skutkuje napromieniowaniem okolicznych zdrowych tkanek, co w konsekwencji
doprowadzić może do zaburzeń neurologicznych, w krańcowych przypadkach do narażenia pacjenta na poważne
inwalidztwo lub nawet na śmierć. Celem poprawy skuteczności radioterapii i ograniczenia jej skutków ubocznych
opracowano szereg metod, z których najważniejsze polegają na zastosowaniu znacznika, najczęściej jodu lub gadolinu, w odpowiednich związkach specyficznie łączących się
ze zmienioną nowotworowo tkanką [24]. Wzrost efektywnej dawki terapeutycznej następuje wskutek zwiększonej
absorpcji promieniowania przez cięższe atomy znacznika
(skoncentrowanego w obrębie guza) i silnym wzbudzeniu
fotoelektronów, o niewielkim zasięgu, niszczących pobliskie komórki rakowe bez naruszania sąsiednich zdrowych
tkanek [25]. Przestrajalność źródła synchrotronowego pozwala łatwo dostosowywać energię fotonów do krawędzi
absorpcji różnych pierwiastków stosowanych jako znaczniki.
Bardzo obiecujące rezultaty przyniosło opracowanie
nowych metod radioterapii wykorzystujących silne wiązki
synchrotronowe. Należą do nich radioterapia mikrowiązkowa MRT i terapia aktywowana fotonami PAT. Wykazano doświadczalnie, że metody te są szczególnie wydajne
w terapii guzów umiejscowionych w centralnym układzie
nerwowym (CNS, Central Nervous System), a ich stosowanie obarczone jest względnie niskim ryzykiem powikłań.
Metoda MRT polega na wykorzystaniu pęku mikrowiązek rentgenowskich uformowanych w postaci równoległych, jednakowej grubości i równoodległych, bardzo
cienkich “płaszczyzn” (o grubościach od kilkunastu do
ponad stu mikrometrów), między którymi nie ma promieniowania. Wykazano, że zdrowe tkanki, także tkanka
nerwowa, bardzo dobrze znoszą napromieniowanie takim
układem mikrowiązek, nawet bardzo wysokimi dawkami
dochodzącymi do kilkuset Gy, w odróżnieniu od guzów,
które ulegają selektywnie zniszczeniu, przy odpowiednio
wysokich dawkach promieniowania.
Chociaż mechanizmy leżące u podstaw efektu MRT są
jeszcze niezbyt dobrze poznane, w oczywisty sposób obejmują one procesy regeneracji sieci naczyniowej i układu
komórek glejowych w uszkodzonej w obszarze mikrowiązek zdrowej (tzn. nienowotworowej) tkance. Procesy naprawcze zdają się być ułatwione przez komórki śródbłonka
i inne komórki wspomagające (ang. support cells) z nienaświetlonych obszarów pomiędzy poszczególnymi mikrowiązkami, które nie uległy uszkodzeniom radiacyjnym.
Metodę MRT zaczęto rozwijać na początku lat 90. XX
w., korzystając z silnego nadprzewodzącego wigglera na
wiązce X17B synchrotronu NSLS (Brookhaven). Niedługo później, w 1996 r. wprowadzono ją w ESRF (Grenoble), a następnie na SPring-8 (Hyogo). Najnowsze badania
wskazują, że efekt chroniący zdrowe tkanki jest znaczny
nawet wówczas, gdy wiązki osiągają rozmiary dochodzące
do 0.68 mm. Opracowano również zmodyfikowaną metodę
MRT polegającą na zastosowaniu dwu zbieżnych układów
mikrowiązek krzyżujących się i „zazębiających” na obszarze guza w jedną nieposegmentowaną wiązkę promieniowania. Dzięki temu, otaczające zdrowe tkanki narażone są
na ekspozycję wyłącznie układem mikrowiązek. Dzisiejszy
stan zaawansowania metody MRT wskazuje, że osiągnięto
wystarczający postęp, by przejść wkrótce od fazy przedklinicznej do synchrotronowej terapii guzów u ludzi [26].
Metoda terapii aktywowanej fotonami PAT oparta jest
na spostrzeżeniu, że skuteczność niszczenia tkanki przez
zaabsorbowaną dawkę promieniowania może być zwiększona przez wprowadzenie do komórek guza substancji
znakującej, zawierającej cięższe pierwiastki i napromieniowanie go zmonochromatyzowaną wiązką o energii
fotonów tuż powyżej krawędzi K pierwiastka znacznika.
W ten sposób, poprzez wydajne wzbudzenie efektu fotoelektrycznego w atomach znacznika (o dużym Z), zlokalizowanych w pobliżu DNA komórek guza, dochodzi do emisji
elektronów Augera o niskich energiach i niewielkim zasięgu. Elektrony te skutecznie niszczą obydwie nici łańcucha
DNA. Zdolność komórek do naprawy tego rodzaju zniszczeń jest znacznie mniejsza, niż w przypadku uszkodzeń
tylko jednej nici łańcucha. Do najczęściej stosowanych
w metodzie PAT znaczników należy cisplatyna, koordynacyjny związek platyny o własnościach cytostatycznych,
stosowany w chemoterapii, który łatwo wnika do jądra komórkowego. Skuteczność metody wykazano również przy
zastosowaniu jodu i innych substancji znakujących, które
nie wiążą się z jądrem komórkowym.
Testy przeprowadzone na szczurach chorych na glejaka,
przeprowadzone w różnych wariantach skojarzonej chemoterapii, infuzji znacznika, oraz w funkcji wielkości dawki
rentgenowskiej wykazały, że najlepsze skutki terapeutyczne osiągano wówczas, gdy cisplatynę wprowadzano w obręb guza bezpośrednio przed napromieniowaniem. W tym
przypadku częstość przeżycia była najwyższa spośród
wszystkich innych obserwowanych w trakcie przedklinicznych testów różnych terapii glejaka mózgu, obejmujących również metody klasyczne. Analiza uszkodzeń DNA
i procesów naprawy na komórkach ludzkich inkubowanych
cisplatyną wykazała, że zniszczenia radiacyjne zależą od
długości fali użytego promieniowania.
Prowadzono także badania skojarzonej metody
MRT+PAT Stosując wiązki MRT, a jako znacznik cisplatynę, udało się całkowicie zniszczyć guzy mózgu u zwierząt
doświadczalnych (m. in. szczurów, królików i świń) bez
zauważalnych ubocznych objawów neurologicznych.
Należy podkreślić, że wymienione wyżej metody synchrotronowe, w przypadku niektórych postaci nowotworów, centralnego układu nerwowego (np. glejaka), są jedyną
szansą skutecznej terapii. Przyczynia się to do zainteresowania rozwojem stacji synchrotronowych do radioterapii
i radiodiagnostyki mózgu. Do istniejących już w ośrodkach
synchrotronowych m. in. w Brookhaven (USA), Spring-8
(Japonia), czy w ESRF (Grenoble) dołączą wkrótce nowo
zaprojektowane dla narodowych źródeł synchrotronowych
budowanych w Hiszpanii, Australii i Kanadzie. Rozwijane
są równolegle, zwłaszcza w Japonii i USA, projekty studial-
105
ne tzw. synchrotronów kompaktowych i innych względnie
niewielkich źródeł promieniowania rtg. o własnościach
zbliżonych do wiązek SR, lecz o nieco mniejszej jasności,
przeznaczonych do instalacji w większych szpitalach i laboratoriach, gdzie służyłyby m. in. do radiodiagnozy i radioterapii.
Sukcesy osiągnięte w przedklinicznej fazie badań nowych metod diagnostycznych, jak MRT czy PAT spowodowały wzrost zainteresowania możliwie najsilniejszymi
źródłami rentgenowskiego promieniowania synchrotronowego, pracującymi w zakresie energii fotonów powyżej
100 keV. Mają one zasadnicze znaczenie dla prowadzenia
za pomocą synchrotronu badań klinicznych. Na przykład,
nowo projektowane źródła dla synchrotronów NSLS oraz
NSLS II będą emitować wiązki o energii powyżej 150 keV
(celem zwiększenia długości penetracji promieniowania)
i o natężeniach pozwalających osiągać moce dawek powyżej 2000 Gy/s. Dzięki temu dawkę terapeutyczną, (rzędu 200 Gy dawki wejściowej) będzie można dostarczyć
w ułamku sekundy, szybciej niż jeden cykl pracy serca. Dla
porównania, działające obecnie źródło na wiązce X17B1
synchrotronu NSLS emituje wiązkę o mocy dawki około
40 Gy/s przy energii krytycznej 12 keV.
Stosowanie coraz silniejszych i o wyższej energii krytycznej źródeł synchrotronowych pozwoli również na zastosowanie techniki kontrastu fazowego, jak np. DEI do
obrazowania obiektów tak dużych jak ludzka głowa w rozsądnie krótkim czasie, np. w trybie CT, przy zastosowaniu
wiązek o energii ok. 60 keV.
Spośród innych metod radioterapii synchrotronowej
wymienić należy również tomoterapię. Polega ona na
wprowadzeniu do guza znacznika w połączeniu z napromieniowaniem wiązką promieni rentgenowskich o niezbyt
dużej energii, rzędu 50-100 keV, podczas obrotu obiektu
w wiązce. Molekuły znacznika są przepuszczane przez
osłabioną barierę krew-mózg sieci naczyniowej guza. Użycie znacznika zawierającego jod podwyższa skuteczność
dawki dzięki zwiększonej absorpcji przez ciężkie atomy
znacznika ulokowane w guzie.
Eksperymentów przedklinicznych z oczywistych przyczyn nie wykonuje się z udziałem ludzi, lecz przeprowadza
się je z reguły na zwierzętach. Szczególnie ważne jest więc
zachowanie jak najwyższych standardów nie tylko naukowych, lecz również etycznych. Na synchrotronowych liniach biomedycznych służy temu odpowiednia organizacja
pracy i konstrukcja pomieszczeń pozwalająca prowadzić
eksperymenty w dobrych warunkach, tak dla obiektów badań, jak i dla badaczy.
3.4. Adaptacja metod synchrotronowych do pracy ze źródłami konwencjonalnymi
Przydatność metod klinicznych jest silnie skorelowana
z ich dostępnością i niezawodnością w codziennej praktyce
lekarskiej. W przypadku metod radiologii pożądane jest,
by technika diagnozy czy terapii mogła być zastosowana za
pomocą standardowych, dostępnych w handlu generatorów
rentgenowskich, ponieważ nie jest możliwe powszechne
stosowanie synchrotronowych źródeł o wysokiej jasności
w środowisku szpitalnym, ani też transport wszystkich pa-
cjentów do ośrodków synchrotronowych.
Niektóre z metod opracowanych pierwotnie na synchrotron można przystosować do działania z nieco zmodyfikowanymi konwencjonalnymi źródłami laboratoryjnymi. Jednym z przykładów jest tu tomografia komputerowa
z kontrastem fazowym PC-CT (Phase Contrast Computer
Tomography). Stosując interferometry siatkowe i konwencjonalny generator rentgenowski, można uzyskać radiograficzne obrazy fazowo-kontrastowe o dobrej jakości
statycznych obiektów biologicznych [27]. Korzystając z tomograficznych obrazów warstwowych otrzymanych tą metodą, dokonano niedawno trójwymiarowej rekonstrukcji
dużego szerszenia. Uwidocznione szczegóły wewnętrznej
struktury owada charakteryzowały się zaskakującą przejrzystością i wysoką rozdzielczością [28]. Prowadzi się także prace nad zastosowaniem radioterapii MRT+PAT z silnymi źródłami konwencjonalnymi.
4. Podsumowanie
Wykorzystanie promieniowania synchrotronowego w biologii i medycynie obejmuje dzisiaj szeroki zakres zagadnień, od badań podstawowych aż do prób klinicznych.
W ostatnich latach punkt ciężkości zastosowań SR wyraźnie przesuwa się od badań czysto poznawczych w kierunku
przedklinicznych i klinicznych aplikacji wykonywanych
na żywych organizmach zwierząt i ludzi.
Promieniowanie synchrotronowe oferuje ulepszone
metody badawcze, pozwalając lepiej wniknąć w mechanizmy procesów życiowych leżących u podstaw fizjologii
i patologii roślin, zwierząt i ludzi. Pozwala opracować bardziej wydajne i niosące mniej skutków ubocznych sposoby
diagnozy i terapii. Szczególnie obiecujące są tu rezultaty
w dziedzinie diagnostyki i terapii nowotworów centralnego układu nerwowego. W przypadku niektórych schorzeń
nowotworowych wykazano, że synchrotronowe metody radioterapii dają najlepsze szanse wyleczenia spośród wszelkich innych metod.
Podziękowania: Praca zostala wykonana częściowo w ramach
grantu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego SPB nr
DESY/68/2007.
Literatura
[1] R. Meuli, Y. Hwu, J.-H. Je., G. Margaritondo, “Synchrotron
radiation in radiology: radiology techniques based on synchrotron sources”, Eur. Radiol. 14 (2004) 1550-560.
[2] Tabelę opracowano, korzystając z: J.H. Hubbell, S. M. Seltzer, Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass
Energy-Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV for Elements Z = 1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric
Interest, NIST, http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/cover.html.
[3] TESLA Technical Design Report, Part V, The X-ray Free Electron Laser, Eds: G. Materlik, Th. Tschentscher (DESY, Hamburg, March 2001).
[4] A. Kisiel, “Synchrotron jako narzędzie: zastosowania promieniowania synchrotronowego w spektroskopii ciała stałego,
Synchrotr. Radiat. Nat. Sci. 5 (2006) 145-167.
[5] Canadian Light Source Activity Report 2001–2004, Ed.: M.
106
Dalzell, CLS Document No. 0.18.1.2, (Canadian Light Source Inc. 2005), http://www.lightsource.ca/.
[6] J.W. Boldeman, D. Einfeld, “The physics design of the Australian synchrotron storage ring”, Nucl. Instrum. Meth.
Phys. Res. A 521 (2004) 306-317.
[7] R.A. Lewis, “Medical applications of synchrotron radiation
in Australia”, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 548 (2005)
23-29.
[8] A. Bravin, R. Noguera, M. Sabés, J. Sobrequés, ALBA Biomedical Beamline (ABME). A Proposal for the ALBA S.A.C.
(Barcelona 2004).
[9] PETRAIII: A Low Emittance Synchrotron Radiation Source.
Technical Design Report, Executive Summary, Eds.: K. Balewski, W. Brefeld, W. Decking, H. Franz, R. Röhlsberger, E.
Weckert (DESY, Hamburg 2004).
[10] NSLS-II Conceptual Design Report (Brookhaven National
Laboratory, 2006).
[11] Scientific evaluation of the MAX IV proposal,
Vetenskapsrådets Rapportserie 20:2006 (Stockholm 2006).
This report can be obtained at www.vr.se/publikationer.
[12] M. Eriksson, B. Anderberg, I. Blomqvist, M. Brandin, M.
Berglund, T. Hansen, D. Kumbaro, L.-J. Lindgren, L. Malmgren, H. Tarawneh, S. Thorin, M. Sjöström, H. Svensson,
E. Wallén, S. Werin, “Status of the MAX IV light source
project”, Proc. of EPAC 2006 (Edinburgh, Scotland), pp.
3418-3420.
[13] G. Falzon, S. Pearson, R. Murison, C.J. Hall, K.K.W. Siu,
A. Evans, K.D. Rogers, R.A. Lewis, “Wavelet-based feature
extraction applied to small angle X-ray scattering patterns
from breast tissue: a tool for differentiating between tissue
types,” Phys. Med. Biol. 51 (2006) 2465-2477.
[14] W-R. Dix, “Intravenous coronary angiography with synchrotron radiation”, Prog. Biophys. Molec. Biol. 63 (1995)
159-191.
[15] Y. Sugishita, S. Otsuka, Y. Itai, T. Kakeda, M. Ando, K.
Hyodo: „Synchrotron radiation coronary angiography and
its application”, Abstracts of 10th. meeting of the Jap. Soc.
for Synchrotron Radiation Research (1997) p. 1.
[16] T. Dill, W.-R. Dix, C.W. Hamm, M. Jung, W. Kupper, M.
Lohmann, B. Reime, R. Ventura, “Intravenous coronary
angiography with synchrotron radiation”, Eur. J. Phys. 19
(1998) 499-511.
[17] W.-R. Dix, W. Kupper, T. Dill, C.W. Hamm, H. Job, M. Lohmann, B. Reime, R. Ventura, “Comparison of intravenous
coronary angiography using synchrotron radiation with
selective coronary angiography”, J. Synchrotr. Radiat. 10
(2003) 219-227.
[18] H. Elleaume, S. Fiedler, F. Estève, B. Bertrand, T. Brochard,
A.M. Charvet, P. Berkvens, G. Berruyer, T. Brochard, G. Le
Duc, C. Nemoz, M. Renier, P. Suortti, W. Thomlinson, J.F.
Le Bas, “First human transvenous coronary angiography at
the European Synchrotron Radiation Facility”, Phys. Med.
Biol. 45 (2000), L39-L43.
[19] T. Takeda: “Phase-contrast and fluorescent X-ray imaging
for biomedical researches”, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res.
A 548 (2005) 38-46.
[20] F. Arfelli, “Recent Development of Diffraction Enhanced
Imaging”, AIP Conference Proceedings vol. 630 (2002) pp.
1-10.
[21] A. Abrami, F. Arfelli, R.C. Barroso, A. Bergamaschi, F. Bille, P. Bregant, F. Brizzi, K. Casarin, E. Castelli, V. Chenda,
L. Dalla Palma, D. Dreossi, C. Fava, R. Longo, L. Mancini,
R.-H. Menk, F. Montanari, A. Olivo, S. Pani, A. Pillon, E.
Quai, S. Ren Kaiser, L. Rigon, T. Rokvic, M. Tonutti, G.
Tromba, A. Vascotto, C. Venanzi, F. Zanconati, A. Zanetti,
F. Zanini, “Medical applications of synchrotron radiation
at the SYRMEP beamline of ELETTRA”, Nucl. Instrum.
Meth. Phys. Res. A 548 (2005) 221-227.
[22] C. Venanzi, A. Bergamaschi, F. Bruni, D. Dreossi, R. Longo, A. Olivo, S. Pani, E. Castelli, “A digital detector for breast computed tomography at the SYRMEP beamline”, Nucl.
Instrum. Meth. Phys. Res. A 548 (2005) 264-268.
[23] E. Castelli, F. Arfelli, D. Dreossi, R. Longo, T. Rokvic,
M.A. Cova, E. Quaia, M. Tonutti, F. Zanconati, A. Abrami, V. Chenda, R.H. Menk, E. Quai, G. Tromba, P. Bregant,
F. de Guarrini, “Clinical mammography at the SYRMEP
beam line”, Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 572 (2007)
237-240.
[24] A. Norman, M. Ingram, R.G. Skillen, D.B. Freshwater, K.S.
Iwamoto, T. Solberg, “X-Ray Phototherapy for canine brain
masses”, Radiat. Oncol. Investig. 5 (1997) 8-14.
[25] H.T. Rose, A. Norman, M. Ingram, C. Aoki, T.D. Solberg,
A. Mesa, “First radiotherapy of Human metastatic brain
tumors delivered by a computerized tomography scanner
(CTRx)”; Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 45 (1999) 11271132.
[26] A. Laissue, H. Blattmann, M. Di Michiel, D.N. Slatkin,
N. Lyubimova, R. Guzman, W. Zimmermann, S. Birrer,
T. Bley, P. Kircher, R. Stettler, R. Fatzer, A. Jaggy, H.M.
Smilowitz, E. Brauer, A. Bravin, G. Le Duc, C. Nemoz, M.
Renier, W. Thomlinson, J. Stepanek, H.-P. Wagner, in Medical Applications of Penetrating Radiation, H.B. Barber, H.
Roehrig, F.P. Doty, R.C. Schirato, E.J. Morton (Eds.), Proceedings of SPIE vol. 4508 (2001), pp. 65-73.
[27] F. Pfeiffer, T. Weitkamp, O. Bunk, C. David, “Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with lowbrilliance X-ray source”, Nature Phys. 2 (2006) 258-261.
[28] F. Pfeiffer, O. Bunk, C. Kottler, C. David, “Hard X-ray
phase tomography with low-brilliance sources”, Phys. Rev.
Lett. 98 (2007) 108105.
107
Z życia PTPS / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
Z ŻYCIA PTPS
W ubiegłym roku Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego obchodziło piętnastolecie. Jubileusz
świętowaliśmy w czerwcu 2006 roku w Zakopanem w trakcie 8. Międzynarodowej Szkoły i Sympozjum pod nazwą
Promieniowanie Synchrotronowe w Naukach Przyrodniczych (8th International School and Symposium on Synchrotron Radiation in Natural Science), zorganizowanej w
dniach 12 - 17 czerwca 2006 roku przez Uniwersytet Jagielloński i Towarzystwo. Uroczyste spotkanie jubileuszowe
odbyło się wieczorem 14 czerwca 2006. Największą jego
atrakcją był ogromny pyszny tort (Fot. 1). Dla członków
PTPS przygotowaliśmy na ten dzień koszulki z okolicznościowym napisem. Na podstawie Fot. 2 można ocenić, czy
są one twarzowe.
Fot. 3. Sala obrad w czasie Walnego Zebrania w Zakopanem w roku 2006.
fot. B. Kowalski
Fot. 1. Tort jubileuszowy.
Bezpośrednio po zakończeniu Sympozjum w południe
17 czerwca 2006 roku odbyło się Walne Zebranie Polskiego
Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego (Fot. 3).
Najważniejszym punktem porządku obrad było uchwalenie
zmian w statucie Towarzystwa z roku 1991 z poprawkami
z roku 1999. Zarząd zaproponował 52 poprawki. Każdą z
poprawek trzeba było przegłosowywać osobno. W chwili
rozpoczęcia głosowań obecnych było 40 z 103 członków
uprawnionych do głosowania, czyli głosowania miały moc
wiążącą, ponieważ zgodnie z obowiązującym statutem
kworum wynosiło 36 osób. Wszystkie poprawki zostały
przegłosowane. Najważniejszą z nich było dodanie art. 27
o brzmieniu: „Walne Zebranie może podejmować uchwały
poprzez głosowanie drogą elektroniczną, przy czym głosowanie takie jest ważne przy uczestnictwie co najmniej
połowy uprawnionych do głosowania, w jednym terminie,
w określonym ograniczonym czasie, zaś głosy przyjmowane są i obliczane zgodnie z regulaminem głosowania drogą
elektroniczną”.
Uchwałę Walnego Zgromadzenia o zmianie statutu
PTPS musiał następnie wpisać do Krajowego Rejestru Sądowego Sąd Rejonowy dla Krakowa-Śródmieścia. Zarząd
przygotował odpowiednie wystąpienie do sądu. W pierwszym podejściu sąd wpisał nowy statut bez jednego artykułu, a mianowicie art. 4 o brzmieniu: „Towarzystwo ma prawo do powoływania oddziałów terenowych”. I wtedy art.
27 okazał się bardzo przydatny. W dniu 25 października
2006 roku po raz pierwszy przeprowadziliśmy głosowanie
drogą elektroniczną, w którym udział wzięło 66 członków
z 103 uprawnionych do głosowania (kworum wynosiło 53
osoby). Walne Zebranie PTPS drogą elektroniczną uchwaliło skreślenie art. 4. Wpis do Krajowego Rejestru Sądowego w dniu 6 listopada 2006 roku zakończył procedurę
zmiany statutu. Nowy statut znajduje się na stronie internetowej PTPS, która ma już oddzielną domenę: http://www.
synchrotron.org.pl.
fot. A. Wolska
Fot. 2. Prezesi PTPS w koszulkach jubileuszowych. Od
lewej: prof. dr hab. Andrzej Kisiel (kadencje 1991-1999),
prof. dr hab. Krystyna Jabłońska (kadencja od 2005) i
prof. dr. hab. Bronisław Orłowski (kadencje 1999-2005).
fot. B. Kowalski
108
Z życia PTPS / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
Od czerwca ub. roku Zarząd PTPS zebrał się trzy razy:
w dniach 25 września 2006 roku, 26 lutego 2007 roku oraz
24 września 2007 roku. Na zebraniu w dniu 25 września
2006 r. Zarząd przyjął Regulamin głosowania elektronicznego PTPS oraz powołał Komisję ds. glosowania elektronicznego. Następne zebrania poświęcone były sprawom
bieżącym.
Sprawami dla PTPS priorytetowymi były: propagowanie wiedzy o promieniowaniu synchrotronowym poprzez
organizowanie konferencji (od czerwca 2006 roku - 7.
Krajowego Sympozjum Użytkowników Promieniowania
Synchrotronowego w 2007 roku oraz 9. Międzynarodowej Szkoły i Sympozjum zatytułowanej Promieniowanie
Synchrotronowe w Naukach Przyrodniczych) oraz uczestnictwo Polski w ESRF w Grenoble i Europejski projekt
XFEL.
W grudniu 2006 r. Towarzystwo wydało specjalny numer niniejszego Biuletynu, w którym znalazła się część
prac prezentowanych na 8th International School and Symposium on Synchrotron Radiation in Natural Science w Zakopanem.
Prezes Towarzystwa skoncentrowała swoją aktywność
na uczestnictwie Polski w ESRF i projekcie XFEL. Prof.
Krystyna Jabłońska wystąpiła o specjalny projekt badawczy na wpłatę kontynuacji polskiej składki do ESRF.
MNiSzW przyznało fundusze na ten cel na okres trzech
lat. Projekt ten jest prowadzony w Instytucie Fizyki PAN w
Warszawie. Polski wkład w wysokości 1% budżetu ESRF
został wniesiony za okres od lipca 2006 do lipca 2007. Tym
samym zwiększony został limit czasu pomiarowego przyznawany na projekty z udziałem polskich naukowców, którzy mogą również starać się o staże naukowe oraz pracę na
tym źródle. Polskim przedstawicielem w Zarządzie spółki
ESRF jest Prezes PTPS, prof. dr hab. Krystyna Jabłońska,
a w Komitecie ds. ekonomicznych i finansowych - członek
Zarządu PTPS, doc. dr hab. Bogdan Kowalski.
Jako przedstawiciel Polski Krystyna Jabłońska aktywnie uczestniczyła w negocjacjach rządu polskiego w
sprawie udziału Polski w europejskim projekcie XFEL.
Obszerniejsze doniesienie o tej działalności znaleźć można
wśród aktualności (dział Synchrotorn Light News) na początku bieżącego numeru.
Członkowie Zarządu biorą również aktywny udział w
przygotowywaniu projektu polskiego synchrotronu. Przedstawicielem Towarzystwa w tym projekcie jest wiceprezes
PTPS, prof. dr hab. Andrzej Burian. Obecnie projektowanych jest dziesięć linii badawczych, z czego dziewięć projektów opracowują członkowie Towarzystwa. W świetle
tylu nowych możliwości korzystania z unikatowych wiązek promieniowania niezwykle aktualne staje się organizowanie szkoleń polskiego środowiska naukowego w zakresie technik dostępnych przy tych źródłach. Na tym zadaniu
zamierza koncentrować swoją działalność Zarząd PTPS w
najbliższym czasie.
Jesienią 2006 roku Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego wspólnie z Instytutem Fizyki
PAN zorganizowało w Warszawie pierwsze, w ramach planowanego cyklu, warsztaty naukowe zatytułowane Zastosowanie absorpcji rentgenowskiej do określania lokalnej
struktury atomowej i elektronowej materiałów, które omawia w bieżącym numerze ich organizatorka, prezes PTPS,
Krystyna Jabłońska.
Towarzystwo rozpoczęło przygotowywanie 9. Międzynarodowej Szkoły i Sympozjum zatytułowanej Promieniowanie Synchrotronowe w Naukach Przyrodniczych (ISSRNS-2008); więcej szczegółów można znaleźć na końcu
bieżącego numeru.
Obecny numer biuletynu został przygotowany na 7.
Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotrono-wego (KSUPS-2007), zorganizowane w Poznaniu przez nasze Towarzystwo i Wydziały Fizyki i Chemii
Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza. Komitetowi Programowo-Organizacyjnemu przewodniczy Maciej Kozak.
Miło mi zakomunikować, że Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego stale się rozrasta i aktualnie (stan w dniu 31 sierpnia 2007 roku) liczy 137 członków,
w tym 105 uprawnionych do głosowania (1 członek honorowy i 104 członków zwyczajnych), 12 członków sympatyków i 20 członków zagranicznych.
Danuta Żymierska
Sekretarz
Polskiego Towarzystwa Promieniowania
Synchrotronowego
JOBS AND POSTDOCS AT ESRF
We Highlight Science!
Have a look at www.esrf.eu/jobs, we have vacancies for
Scientists, Post doctoral fellows, PhD students, Engineers,
Technicians and Administrative staff. Contact us at:
recruitment@esrf.eu
European Synchrotron Radiation Facility
ESRF, BP 220, F-38043 Grenoble Cedex 9, FRANCE,
Tel.+33 476 88 20 00 www.esrf.eu.
The European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)
is Europe’s most powerful light source. Our fields of research are Physics and Chemistry, Life Sciences and Medicine, Earth and Environmental Sciences, Surface and
Materials Sciences.We offer you an exciting opportunity
to work with international teams using synchrotron light
in Grenoble, in the heart of the French Alps.
109
Warsztaty EXAFS 2006 / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
WARSZTATY NAUKOWE
„ZASTOSOWANIE ABSORPCJI RENTGENOWSKIEJ DO OKREŚLANIA
LOKALNEJ STRUKTURY ATOMOWEJ I ELEKTRONOWEJ MATERIAŁÓW”,
Warszawa 13-15.11. 2006
Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowe-go realizując swoje zadania statutowe, wspólnie
z Instytutem Fizyki PAN zorganizowały w dniach 13-15
listopada 2006 r. warsztaty naukowe dotyczące absorpcji
rentgenowskiej (EXAFS i XANES). Warsztaty odbyły
się w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie, Al. Lotników
32/46. Organizację warsztatów dofinansował Komitet Krystalografii PAN sumą 3500 zł. Kierownikiem Warsztatów
była prof. Krystyna Jabłońska, prezes PTPS.
W czasie warsztatów wygłoszono wykłady dotyczące teorii interpretacji widm absorpcyjnych oraz technik
eksperymentalnych ich pomiaru. Na podstawie wyników
własnych prac badawczych pokazano przykłady zastosowań tej techniki do badania różnego rodzaju materiałów
oraz przykłady problemów z jakie mogą się pojawić przy
interpretacji widm. Ponadto przeprowadzono zajęcia praktyczne obejmujące analizę danych eksperymentalnych dla
modelowych związków z wykorzystaniem dostępnych w
sieci programów Athena, Arthemis bazujących na programie FEFF8. Warsztatach wziął udział honorowy gość dr
Bruce Ravel z Molecular Environmental Science Group
Argonne, National Laboratory Argonne (USA), współautor
programów Athena i Artemis, który w swoich wykładach
przekazał nie tylko teorię i zasady działania programu, ale
i bardzo wiele praktycznych uwag dotyczących analizy
widm.
Program wykładów oraz prezentacje z wygłoszonych
wykładów można znaleźć pod adresem:
http://www.ifpan.edu.pl/SL-1/html/Program.htm.
Fot. 1. Dr Bruce Ravel.
W warsztatach wzięło udział 52 naukowców, głównie
młodych pracowników naukowych oraz doktorantów z
piętnastu krajowych ośrodków. W niektórych wykładach
uczestniczyli również pracownicy Instytutu Fizyki PAN,
nie zgłoszeni formalnie jako uczestnicy warsztatów.
Wszyscy uczestnicy podkreślali duże znaczenie tego typu
spotkań, gdzie pod okiem doświadczonych naukowców,
można uczyć się analizy danych, pracować z własnymi danymi eksperymentalnymi, przedyskutować swoje wyniki
w gronie specjalistów. Jest to niezwykle ważne w tej bardzo trudnej technice doświadczalnej.
Fot. 2. W trakcie wykładu.
110
Warsztaty EXAFS 2006 / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
Fot. 3. W trakcie wykładu.
Fot. 3. Po zajęciach.
111
Informację przygotowała Krystyna Jabłońska
Panel Discussion, Wrocław 2007 / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
Panel Discussion „Crystallographic Applications of the Polish Synchrotron”
at the Symposium of the Polish Crystallographic Society, Wrocław, June 29 – 30, 2007
Panel Discussion „Crystallographic Applications of the
Polish Synchrotron” on 29th June 2007 has concluded the
first day of the Symposium of the Polish Crystallographic Society (a twin meeting to the Polish Crystallographic
Meeting, Wrocław 29-30 June 2007). The Panel Discussion
session concerned the requirements and expectations of
the crystallographic community with respect to the experimental possibilities at the future Polish synchrotron light
source.
The discussion was chaired by Edward A. Görlich
(Jagellonian University) who in his introductory remarks
described briefly the present status of the project. It was
pointed out that as a result of earlier broad consultation
with world leading experts, changes were introduced to
the original proposal. In particular, to achieve satisfactory
parameters corresponding to state of the art of synchrotron-light-sources design, increased circumference of both
the booster synchrotron and the storage ring were advised.
The linac pre-accelerator will be rather used than a microtron and the machine will operate in a top-up mode. These
technical modifications lead to estimation of the total costs
for the completion of the first stage (i.e. for a building with
media infrastructure, accelerator, storage ring and first 7
beamlines) at the level of 130 M€. Further four beamlines
have been already proposed by independent research institutions or consortia.
Before proceeding to the main field of interest for this
meeting, examples of synchrotron radiation applications for
studying of structural and dynamic properties of condensed
matter with non-diffractive methods were addressed by the
first two speakers.
The talk by Witold Ryba-Romanowski (Institute of
Low Temperature and Structure Research, Polish Academy
of Sciences) referred to the synchrotron-radiation excited
luminescence and fluorescence. Selected examples illustrated the applications of spectroscopic methods in studies
of inorganic luminescent materials as possible candidates
for scintillators and VUV to visible light converters. The
main purpose of research is to reveal mechanisms of the
light conversion process from the high energy radiation
into the visible region. This is accomplished by analysis of
luminescence decay curves for dopant lanthanide ions introduced into the host oxide crystals. The PLM3 beamline
at the Polish synchrotron will make such measurements
possible.
The presentation of Jacek Szade (Silesian University)
concerned spectroscopic research techniques that are
planned to be implemented in the first step of the project.
As the introduction to the talk, a review of such techniques
in the existing synchrotrons was shown with the conclusion
that they still form one of the basic applications of synchrotron radiation. The concept of the PLU3 beamline was presented – undulator based radiation with changeable polarisation, relatively wide photon energy range (20-2000 eV)
and multitechnique endstation. Photoelectron spectroscopy
and x-ray absorption would be the basic techniques with
possible ways of development in the form of angle and spin
resolved photoemission and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). The concept of multi-technique endstation
and possible movable endstations at the same beamline was
shortly discussed. Jacek Szade mentioned the spectromicroscopy as the possible direction of further development
of the PLU3 beamline. Finally, a short description of the
beamlines PLM1, PLM3, PLM4 and PLU6/PLW6 was given.
The discussion of diffraction lines was opened with the
presentation by Wojciech Paszkowicz (Institute of Physics,
Polish Academy of Sciences) of the proposal for the powder
diffraction beamline PLU1. The speaker (i) has pointed the
advantages of using the synchrotron beam for powder diffraction purposes (opportunity for ultrafast measurements,
for getting out a very high resolution and studying extremely small objects, in particular, under high pressure), and (ii)
emphasised the alternatives existing in the construction of
the beamline, making specific applications less or more
appropriate. In particular, the choice between focused and
parallel beam optics is important, as well as designing the
beamline in a way ensuring the best possible stability of
beam position and intensity. It was suggested that achieving the wavelength about 0.3 Å is crucial for enabling valuable high-pressure diffraction experiments. Splitting the
beamline was concluded to be the best way of avoiding the
frequent configuration changes.
Maria Lefeld-Sosnowska (Warsaw University) discussed
investigations of single crystalline materials by means of
X-ray diffraction topography. The methods of topographic
imaging with monochromatic or white beam was illustrated with the results for SrLaGaO4 and GdCa4O(BO3)3.
The technique permits to determine and analyse extended
crystal defects like dislocations, precipitates or deformations and strains resulting e.g. from inhomogeneities of the
chemical composition. The application of the synchrotron
X-ray sources for the X-ray Diffraction Topography and
High Resolution Diffractometry has clear advantages over
conventional laboratory equipment in particular due to a
high brilliance, beam collimation and wider possibilities of
the wavelength choice from the white beam. The proposal
for the topography/HRXRD beamline PLW7, an initiative
of several research institutions, is coordinated by Wojciech
Wierzchowski (Institute of Electronic Materials Technology).
X-ray diffuse scattering as a function of temperature is
one of the classical tools for analysing disorder in solids.
Since the intensity of diffuse scattering is several orders
of magnitudes smaller than the one of Bragg scattering, an
intense synchrotron source is ideally suited to this type of
experiments. Furthermore, the diffuse scattering experiments greatly benefit from highly parallel beam. During his
talk, Adam Pietraszko has presented the needs connected
with measurements in this area. In particular, he empha-
112
Panel Discussion, Wrocław 2007 / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
sised that scanning large areas of reciprocal space is most
efficiently done with two-dimensional detector systems.
The application of high energy X-ray diffraction in investigations of carbon nanosystems was presented by Andrzej Burian (Silesian University). Precise information on
structural properties of nanodiamonds, nanotubes and other
carbon nanosystems may be described using the formalism
of atomic pair correlation functions. Correlation functions
may be determined with the synchrotron radiation which is
greatly advantageous with respect to conventional means.
It was pointed out that the technique exploits preferably
high photon energies (of the order of 100 keV, to take as
an example the ID15B beamline at ESRF) to cover as wide
as possible k-value range permitting the transformation to
a real-space distribution function with higher spatial resolution. Parameters of the planned Polish synchrotron will
basically limit the photon energy to at most 40 keV thus the
experiments in this field, if carried out, may be considered
as preliminary and preparatory for the largest world facilities (ESRF, APS, Spring8 and future Petra III).
The field of protein and macromolecular crystallography (PX)
has a good chance to be a stronghold of the Polish synchrotron project. Both, the number of Polish scientists actively
involved in this area as well as the fact that our countrymen
work permanently (or at long term sojourn) abroad, guarantee that the instrumentation of the proposed PX beamline
and scientific merit of investigations performed there will be
of highest rank. Mariusz Jaskólski (Adam Mickiewicz University) concentrated on problems concerning diffraction
methods at the synchrotron light source: monochromatic,
anomalous multiwavelength (MAD) and Laue technique.
His concise review started with a scrutiny of the research
centres in Poland and neighbouring countries that may be
concerned as potential users of our future facility. The protein crystallography beamline has to meet following general
specification: undulator as a radiation source, high geometrical (< 5 μm) and wavelength stability (< 10-4 Å) at a high
degree of monochromaticity with the high beam intensity in
the range 0.9 < λ < 1.1 Å. The line is included in the set of
first seven beamlines to be realised (PLU4).
Edward A. Görlich, Wojciech Paszkowicz
European Powder Diffraction Conference, EPDIC-11
18 – 22 września 2008
W dniach 18–22 września 2008 odbędzie się w Warszawie Europejska Konferencja Dyfrakcji Proszkowej
(European Powder Diffraction Conference, EPDIC-11).
Przewodniczącym konferencji jest Prof. Bogdan Pałosz
(Instytut Wysokich Ciśnień PAN, Warszawa).
Konferencja EPDIC-11, choć w nazwie europejska, jest
jedyną cykliczną światowej rangi konferencją poświęconą
wykorzystaniu dyfraktometrycznych technik proszkowych
dla badania struktury materiałów. EPDIC jest miejscem
wymiany doświadczeń przez uczonych zajmujących sie
technikami, teorią i praktyką dyfrakcji oraz analizą struktury i mikrostruktury materiałów polikrystalicznych. W
eksperymentach z tej dziedziny wykorzystywane są zjawiska dyfrakcji promieni rentgenowskich emitowanych przez
źródła klasyczne i synchrotrony, neutronów i elektronów.
Źródła synchrotronowe zdecydowanie dominują w tych
działach dyfrakcji proszkowej. w których wymagane są
dobór długości fali lub niewielka długość fali (poniżej 0.7
Å), oraz gdy badane obiekty mają małe rozmiary.
EPDIC-11 jest czwartą w historii dużą międzynarodową konferencją z dziedziny krystalografii organizowaną w
Polsce. Poprzednio odbyły się:
11. Kongres Krystalograficzny, Warszawa 1978,
10. Europejska Konferencja Krystalograficzna (ECM-10),
Wrocław 1986,
Main building of the conference site, Warsaw University
of Technology.
20. Europejska Konferencja Krystalograficzna (ECM-20),
Kraków 2001.
Szczegóły dotyczące konferencji EPDIC-11 można znaleźć
na stronie internetowej http://www.epdic-11.eu/
113
Advisory Committee Meeting in Kraków, Feb. 2007 / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
FIRST MEETING OF INTERNATIONAL ADVISORY COMMITTEE
FOR POLISH SYNCHROTRON PROJECT, KRAKÓW, 13-15. 02.2007
Furthermore the following primary conclusions have been
conceived or corroborated:
1. To better meet requirements and expectations of the prospective users and to satisfy in a best possible way the
presented scientific case (in particular with respect to
high photon energy beamlines) it is indispensable to enhance the originally proposed parameters of the machine
(the circumference should be rather 220 m or larger, larger dimensions of the booster synchrotron system with
initial linac accelerator).
2. Optimisation of the proposed beamlines should be performed to make the completion in the first construction
step realistic.
3. New estimates of costs have been done, ensuring safe
completing of the project in its present scale (according
to the results of this Conference; with 7 beamlines, as
planned) {130 M€} (allowing among other factors, for
inevitable increase of wages and general costs).
4. Intensify efforts to build up a team of well trained specialists both in accelerator and beamline physics and
techniques. This should be accomplished by topical
courses in Poland, supplemented by, preferably longterm (1 – 2 years) training at synchrotron facilities
abroad. Many potential centres and support possibilities were specified.
5. Document circulation and retrieval, information exchange and work organisation should be clearly defined
from the very beginning.
6. During preparation, construction and commissioning
phases of the project a great caution and scrupulousness
should be devoted to rigorous planning both on shortand long-time scale.
As the project of Polish synchrotron light source received acceptance of Polish authorities and assurance of
a considerable part of funding, the preparatory works entered a new phase requiring a substantial help from foreign
experts. The inaugural meeting of the advisory body took
place in Kraków, February 13 - 15, 2007 and was attended
by: Dr. Mark de Jong (CLS), Dr. Paweł Grochulski (CLS),
Prof. Gerhard Grübel (DESY/HASYLAB), Dr. Peter
Kuske (BESSY), Prof. Gerd Materlik (DIAMOND), Prof.
Bill Thomlinson (CLS).
The following main issues have been addressed and
discussed:
■Present status of the Polish Synchrotron project: (a) Preliminary concept for a size and technical features of
the facility. (b) Experimental beamlines proposed for
the stage I (7 lines) and for further development (4
lines) - presented by coordinators of the line projects.
(c) Organisational & financial situation.
■New designs, recent constructions and technical solutions SR sources in the world.
■World market for synchrotron equipment producers and
suppliers.
■Provisional candidates for the Project Leaders.
■Methods of cost estimation - how precise (reliable) they
are?
■Time schedule of the project [our general philosophy is
to contract as large as possible units of the machine].
■Education & training of young Polish scientists (in particular in accelerator physics)
■Formation of the International Advisory Committee.
■Structure and organisation of a responsible institution
in the phases of planning, preparing and construction.
■Schemes for international collaboration.
■‘Roadmap’ - overview.
■Practical advices: traps & surprises (unpleasant) - how to prepare
for & avoid.
Thanks to expertise, broad experience and a very open attitude of our
guests it was possible to elaborate a
course of action for the nearest future. It comprises organisational steps
which should lead in a possibly shortest
time span to work out the Conceptual
Design of the facility. This complex
and demanding task requires involvement of the experienced specialists,
in particular in the field of accelerator
physics and technique. A far reaching
help in this respect has been offered.
114
9th ISSRNS, Ameliówka 2008 / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
9th International School and Symposium on Synchrotron Radiation
in Natural Science (ISSRNS’2008), Ameliówka, 15th-20th June, 2008
Conference site: Hotel Ameliówka.
dle of the Świętokrzyskie (Saint Cross) Mountains, a wooded
mountain range in central Poland (the oldest mountains in
Poland and one of the oldest in Europe). They are covered
by remnants of a primeval forest with beautiful rivers, caves,
hundreds of unique relics of the past (like striped flintstone
mine from neolith epoch in Krzemionki Opatowskie or relics
of ancient metallurgy). Amateurs of active tourism will find
marked hiking and cycling routes. At some tens of kilometer
distance from the conference site there are, apart of the interesting old town of Kielce: the famous Raj (Paradise) Cave,
Jędrzejów town with a large collection (third in the world)
of sun clocks in a unique museum, the 1200 years old oak
tree „Bartek”, many remains and museums of old industry,
and the manor house in Oblęgorek with a museum of Henryk
Sienkiewicz, the author of the commonly known Quo vadis
(1896, Nobel Prize 1905 for the author, the book filmed twice
in France and Italy in 1913 and many times later).
fot. W .Paszkowicz
The 9th International School and Symposium on Synchrotron Radiation in Natural Science (ISSRNS’2008) will
be held in the Ameliówka Hotel (Mąchocice Kapitulne near
Kielce) on 15-20 June, 2008.
ISSRNS is a series of meetings, organised every two
years, devoted to recent advances and new techniques employing synchrotron radiation in physics, chemistry, materials science, biology and medicine. The 9th meeting will
be organised by the Polish Synchrotron Radiation Society
with cooperation with Institute of Physics, Polish Academy
of Sciences (Warsaw, Poland).
Specialists from synchrotron centres will be invited to
deliver lectures on hot topics related to wide applications of
these new sources of electromagnetic radiation in various
domains. Poster sessions will be organised to present recent
achievements and results. The collected abstracts will be
published in a volume of Synchrotron Radiation in Natural
Science, and the proceedings in a reputable international
journal.
The meeting language is English.
The topics of the meeting include:
● synchrotron and alternative radiation sources – instrumentation,
● synchrotron radiation in life sciences,
● macromolecular crystallography,
● x-ray absorption, fluorescence and photoelectron spectroscopies,
● magnetic dichroism,
● x-ray diffraction,
● x-ray scattering,
● nanocrystals and nanostructures,
● applications of free electron lasers.
Programme Committee:
R. Bacewicz, Warsaw University of Technology, Poland
E. A. Görlich, Jagellonian University, Kraków, Poland
J. Gronkowski, University of Warsaw, Poland
V. Holỳ, Charles University, Prague, Czech Republic
M. Jaskólski, Adam Mickiewicz University, Poznań, Poland
K. Jabłońska, Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland
C. Kapusta, AGH University of Science and Technology,
Kraków, Poland
B. Kowalski (Chairman), Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland
W. M. Kwiatek, Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences, Kraków, Poland
D. L. Nagy, KFKI Research Institute for Particle and Nuclear Physics, Budapest, Hungary
M. Pajek, Świętokrzyska Academy, Kielce, Poland
W. Paszkowicz (Proceedings Editor), Institute of Physics,
Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland
J. Szade, University of Silesia, Katowice, Poland
A. Wojtowicz, Nicolaus Copernicus University, Toruń, Poland
A. Wolska (Secretary), Institute of Physics, Polish Academy
of Sciences, Warsaw, Poland
For further information, post or e-mail to:
Bogdan Kowalski
ISSRNS’2008
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences,
Aleja Lotników 32/46
PL-02 668 Warszawa, Poland
e-mail: issrns2008@synchrotron.org.pl or
The meeting will be held in a comfortable hotel Ameliówka (10 km from the district capital Kielce) located in the mid-
www: www.synchrotron.org.pl/ISSRNS2008/.
115
Bruker Polska Sp. z o.o.
ul. Budziszyńska 69
60-179 Poznań
Tel. + 48 61 8689008
Fax: + 48 61 8689096
sekretariat@bruker.poznan.pl
www.bruker.pl
Firma Bruker oferuje najwyższej światowej jakości aparaturę analityczną wykorzystywaną w
uczelniach i instytutach naukowo-badawczych całego świata.
Zaawansowane rozwiązania obejmujące szeroką ofertę dedykowanych programów użytkowych,
symulacyjnych i baz danych pozwalających na obróbkę danych pochodzących z wielu dziedzin spektroskopii łącznie, np. NMR+EPR+FT-IR, bibliotekami widm i innymi danymi spektroskopowymi, stanowią doskonałą podporę wspomagającą procesy pomiarowe.
Asortyment oferowanych rozwiązań obejmuje również bardzo specjalistyczne metody pomiarowe, niektóre z nich dostępne tylko w naszej firmie.
Wiele z naszych instrumentów pozwala na łączenie różnych metod pomiarowych, jak np.:
- LC/NMR
- LC/MS/NMR
- LC/MS
- MS/MS
- FT-IR/TGA
- FT-IR/LC
oddając tym samym do dyspozycji bardziej kompleksowe możliwości badawcze – zwłaszcza procesów
dynamicznych.
Firma Bruker Polska Sp. z o.o. jest jedynym autoryzowanym reprezentantem na rynku polskim
Konsorcjum Bruker będącego producentem wiodących rozwiązań aparaturowych w zakresie:
spektrometrii i dyfraktometrii rentgenowskiej (XFR, XRD, SCD)
spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR),
paramagnetycznego rezonansu elektronowego (EPR),
podczerwieni (FT-IR, FT-NIR), Ramana, minispektrometrii TD-NMR
spektrometrii mas (MS) i detekcji NBC/CBRN
optycznej spektroskopii emisyjnej (OES)
Zespół ludzi zatrudnionych w naszej firmie stanowi gwarancję prawidłowej obsługi merytorycznej i
serwisowej.
Istniejący w Poznaniu od początku lat 80-tych serwis firmy Bruker oraz bliskość macierzystych
zakładów z Niemiec pozwala na szybkie i kompetentne realizowanie zadań związanych z instalacją i
eksploatacją naszych przyrządów oraz pomoc w ich przystosowaniu do Państwa nietypowych potrzeb.
Bruker Polska Sp. z o.o. ze swoją ponad dwudziestoletnią tradycją zapewnia najwyższą jakość
usług zarówno serwisowych jak i merytorycznych. Naszym klientom i użytkownikom oferujemy szkolenia z zakresu obsługi spektrometrów, użytkowania oprogramowania oraz kursy aplikacyjne w siedzibie firmy w Poznaniu, jak i w głównych siedzibach w Niemczech.
116
SKOROWIDZ AUTORÓW
R. Abela . . . . . . . . . . . . . . . . . .
P. Aebi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.V. Antonova . . . . . . . . . . . . . .
D. Arvanitis . . . . . . . . . . . . . . .
C. Bähtz . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Bak-Misiuk . . . . . . . . . . . . . .
A. Balerna . . . . . . . . . . . . . . . .
T. Balcer . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Banaś . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Banaszak . . . . . . . . . . . . . .
A. Barcz . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Basiura . . . . . . . . . . . . . . . .
C. Battaglia . . . . . . . . . . . . . . .
C. Bordini . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Borowiec . . . . . . . . . . . . . . .
C. Bressler . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Bródka . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Brunelli . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Bukowski . . . . . . . . . . . . . . .
A. Burian . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Busiakiewicz . . . . . . . . . . . .
W. Caliebe . . . . . . . . . . . . . . . .
I. Capan . . . . . . . . . . . . . . . . . .
L. Catani . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Chergui . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Chernyshova . . . . . . . . . . .
P. Chometowski . . . . . . . . . . . .
D. Chylarecka . . . . . . . . . . . . .
A. Cianchi . . . . . . . . . . . . . . . .
F. Clerc . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E. Czerwosz . . . . . . . . . . . . . .
M. Czuba . . . . . . . . . . . . . . . . .
P. Dąbrowski . . . . . . . . . . . . . .
J. Darul . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.N. Demchenko . . . . . . . . . . . .
L. Despont . . . . . . . . . . . . . . . .
J.M. De Teresa . . . . . . . . . . . .
R. Diduszko . . . . . . . . . . . . . . .
P. Dluzewski . . . . . . . . . . . . . .
W. Dobrowolski . . . . . . . . . . . .
J.Z. Domagała . . . . . . . . . . . . .
L. Domka . . . . . . . . . . . . . . . . .
J.C. Dore . . . . . . . . . . . . . . . . .
H. Drozdowski . . . . . . . . . . . . .
E. Dynowska . . . . . . . . . . . . . .
P. Dziawa . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. El Nahhas . . . . . . . . . . . . . .
G. Falkenberg . . . . . . . . . . . . .
F. Firszt . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Fluerasu . . . . . . . . . . . . . . .
P. Gajdus . . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Gapiński . . . . . . . . . . . . . . . .
M.G. Garnier . . . . . . . . . . . . . .
W. Gawelda . . . . . . . . . . . . . . .
M. Gilski . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B. Goderis . . . . . . . . . . . . . . . .
Z. Golacki . . . . . . . . . . . . . . . .
E.A. Görlich . . . . . . . . . . . . . . .
A. Graczyk . . . . . . . . . . . . . . . .
W. Graeff . . . . . . . . . . . . . . . . .
Th. Graule . . . . . . . . . . . . . . . .
P. Grochulski . . . . . . . . . . . . . .
D. Grolimund . . . . . . . . . . . . . .
J. Gronkowski . . . . . . . . . . . . .
S. Guizard . . . . . . . . . . . . . . . .
E. Guziewicz . . . . . . . . . . . . . .
Ł. Hawełek . . . . . . . . . . . . . . . .
W. Hędzelek . . . . . . . . . . . . . .
A.W. Hewat . . . . . . . . . . . . . . .
S. Hodorowicz . . . . . . . . . . . . .
W. Hofman . . . . . . . . . . . . . . . .
P. Holmqvist . . . . . . . . . . . . . . .
E. HolubKrappe . . . . . . . . . . . .
V. Honkimaki . . . . . . . . . . . . . .
18
73
51
79
50,60
30,51,68
67
77
67
80
30,51
22
73
20
21
18
12,31
19,76
55
31
33
30,36,68
51
23
18
41
21
81
23
73
52
42
33
32,54,65
20,39,41,79
73
49
52,53
68
63
30,36,41,61
44,45,47,72,74
31
29,34
30,36,37,61,68
56,64
18
67
60
13
45
13
73
18
11,96
22
63
I,17,113,115
42
46,51,77,78
71
83
18
38
82
55
31
45,47
57
48
77
13
79
31
A. Hruban . . . . . . . . . . . . . . . .
M.R. Ibarra . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Jabłoński . . . . . . . . . . . . . . .
R. Jakiela . . . . . . . . . . . . . . . . .
E. Janik . . . . . . . . . . . . . . . . . .
R.L. Johnson . . . . . . . . . . . . . .
S.L. Johnson . . . . . . . . . . . . . .
W. Jung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Jurek . . . . . . . . . . . . . . . . . .
S. Jurga . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Kaiser . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cz. Kapusta . . . . . . . . . . . . . . .
A. Kisiel . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M.T. Klepka . . . . . . . . . . . . . . .
D. Klinger . . . . . . . . . . . . . . . . .
Z. Klusek . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Knapp . . . . . . . . . . . . . . . . .
W. Knoff . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V. Kontozova . . . . . . . . . . . . . .
I.A. Kowalik . . . . . . . . . . . . . . .
B.J. Kowalski . . . . . . . . . . . . . .
G. Kowalski . . . . . . . . . . . . . . .
P. Kowalczyk . . . . . . . . . . . . . .
M. Kozak . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Kozłowski . . . . . . . . . . . . . .
W. Kozłowski . . . . . . . . . . . . . .
S. Kret . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Krzywiński . . . . . . . . . . . . . .
P. Kwaśniewski . . . . . . . . . . . .
W.M. Kwiatek . . . . . . . . . . . . . .
Ch. Lathe . . . . . . . . . . . . . . . . .
K. Lawniczak
-Jablonska . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Lefeld-Sosnowska . . . . . . .
S. Łęgowski . . . . . . . . . . . . . . .
M.P. Lettinga . . . . . . . . . . . . . .
T. Librowski . . . . . . . . . . . . . . .
J. Lorkiewicz . . . . . . . . . . . . . .
A. Łowińska-Kluge . . . . . . . . . .
T. Łukasiewicz . . . . . . . . . . . . .
E. Lusakowska . . . . . . . . . . . .
A. Malicka . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Malinowska . . . . . . . . . . . . .
A. Marcinkowska . . . . . . . . . . .
I. Margiolaki . . . . . . . . . . . . . . .
M. Markiewicz . . . . . . . . . . . . .
C.I. Marquina . . . . . . . . . . . . . .
O. Mathon . . . . . . . . . . . . . . . .
V.B.F. Mathot . . . . . . . . . . . . . .
M. Mazur . . . . . . . . . . . . . . . . .
H. Męczyńska . . . . . . . . . . . . .
G. Meier . . . . . . . . . . . . . . . . . .
H. Merdji . . . . . . . . . . . . . . . . .
K. Michalow . . . . . . . . . . . . . . .
J.M. Michalik . . . . . . . . . . . . . .
C. Milne . . . . . . . . . . . . . . . . . .
R. Minikayev . . . . . . . . . . . . . .
R. Mirowski . . . . . . . . . . . . . . .
A. Misiuk . . . . . . . . . . . . . . . . .
S. Mogilski . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Muszyński . . . . . . . . . . . . . .
G. Nägele . . . . . . . . . . . . . . . .
N. Nedelko . . . . . . . . . . . . . . . .
R. Nietubyć . . . . . . . . . . . . . . .
E. Nossarzewska-Orlowska . . .
W. Nowicki . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Nowak . . . . . . . . . . . . . . . . .
K. Nowakowski . . . . . . . . . . . .
B.A. Orlowski . . . . . . . . . . . . . .
V. Osinniy . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Pajączkowska . . . . . . . . . . .
A._Palewicz . . . . . . . . . . . . . . .
Cz. Paluszkiewicz . . . . . . . . . .
M. Pasenkiewicz-Gierula . . . . .
117
38
21,26
39
41
36
55,56,62,63,64
18
51
82
74
18
21,26,49,70,71,81
9,67
20,39,41,42,79
82
33
50,60
62
39
55,62
16,55,56,62,63,64
38
33
40,65,74,75,80
52
33
68
82
26
67
37,58,61
20,39,42,79,41,111
46,78
60
13
48
23
43
78
30,55
44,45,72
46,77,78
47
57
48
26
49
22
19,76
60
13
82
71
49
18
39,50,58
23
30,51,68
48
65
13
20
23,52,53,82
. . .55
32,54,65,66
58
34
55,56,62,63,64
41,55,56,62,63,64
46
57
67
48
P. Pasierb . . . . . . . . . . . . . . . .
W. Paszkowicz . . . . . . . . . . . . .
A. Patkowski . . . . . . . . . . . . . .
P. Peczkis . . . . . . . . . . . . . . . .
J. Pelka . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Persson . . . . . . . . . . . . . . . .
V.-T. Pham . . . . . . . . . . . . . . . .
M.A. Pietrzyk . . . . . . . . . . . . . .
J. Piętosa . . . . . . . . . . . . . . . . .
P. Piszora . . . . . . . . . . . . . . . . .
R. Podgajny . . . . . . . . . . . . . . .
M. Podgórczyk . . . . . . . . . . . . .
A. Prodan . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Prujszczyk . . . . . . . . . . . . .
R. Przeniosło . . . . . . . . . . . . . .
A. Przepiera . . . . . . . . . . . . . . .
M. Radecka . . . . . . . . . . . . . . .
M. Radosz . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Rekas . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.A. Rodrigues . . . . . . . . . . . .
P. Romanowski . . . . . . . . . . . .
A. Rothkirch . . . . . . . . . . . . . . .
R. Russo . . . . . . . . . . . . . . . . .
M. Rut-Marcinkowska . . . . . . .
W. Rypniewski . . . . . . . . . . . . .
J. Sadowski . . . . . . . . . . . . . . .
M.J. Sadowski . . . . . . . . . . . . .
D. Savytskii . . . . . . . . . . . . . . .
K. Schneider . . . . . . . . . . . . . .
P. Serda . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Shalimov . . . . . . . . . . . . . . .
A. Sienkiewicz . . . . . . . . . . . . .
B. Sieklucka . . . . . . . . . . . . . . .
M. Sikora . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Slawska-Waniewska . . . . . .
G. Ślósarek . . . . . . . . . . . . . . .
R. Sobierajski . . . . . . . . . . . . .
I. Sosnowska . . . . . . . . . . . . . .
N. Stachowiak . . . . . . . . . . . . .
P. Starowicz . . . . . . . . . . . . . . .
J. Stolarski . . . . . . . . . . . . . . . .
T. Story . . . . . . . . . . . . . . . . . .
P. Strzyżewski . . . . . . . . . . . . .
B. Surma . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Świerczyna . . . . . . . . . . . . .
J. Sworen . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Szczepańska . . . . . . . . . . . .
W. Szczerba . . . . . . . . . . . . . .
K. Szpotkowski . . . . . . . . . . . .
W. Szuszkiewicz . . . . . . . . . . .
A. Szymańska . . . . . . . . . . . . .
A. Szytuła . . . . . . . . . . . . . . . .
B. Taliashvili . . . . . . . . . . . . . . .
S. Tazzari . . . . . . . . . . . . . . . . .
D. Trots . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A. Urbanik . . . . . . . . . . . . . . . .
R. van der Veen . . . . . . . . . . . .
H.J.P. van Midden . . . . . . . . . .
A. Vital . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
R. Wachowiak . . . . . . . . . . . . .
K.B. Wagener . . . . . . . . . . . . .
M.S. Walczak . . . . . . . . . . . . . .
D. Wardecki . . . . . . . . . . . . . . .
A. Webb . . . . . . . . . . . . . . . . . .
W. Wierzchowski . . . . . . . . . . .
E. Wierzbicka . . . . . . . . . . . . . .
A. Witkowska . . . . . . . . . . . . . .
T. Wojtowicz . . . . . . . . . . . . . . .
A. Wolska . . . . . . . . . . . . . . . .
S. Wołoszczuk . . . . . . . . . . . . .
G. Wrochna . . . . . . . . . . . . . . .
A. Yamaguchi . . . . . . . . . . . . .
D. Zajac . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D. Żymierska . . . . . . . . . . . . . .
70
I,50,58,60,61,113
13
70
28,82,100
79
18
55,5662,63,,64
58
32,43,50,54,60,65,66
81
67
73
51
19,57,76
39
71
80
70,71
20
30,37,68
81
23
69
14
30,41,79
23
53
26,70,71
48
68
42
81
21,49,71
20
75
15,82
57
72
73
19,76
41,56,62
23
51
26
22
37
21
74
36,37,61,68,90
75
73
56,64
23
65
26
18
73
71
47
22
42
76
81
46,51,77,78
46,51,77,78
10
36
41,79
80
27
61
21,26,70,71,81
82,109
Useful addresses & Conference proceedings list / Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)
USEFUL ADDRESSES
SOCIETIES and ORGANISATIONS:
Czech scientific societies http: //www.xray.cz/xray/societies.htm
Czech Synchrotron Radiation Society, a branch of the Unity of Czech Mathematicians and Physicists: http://www.xray.cz/xray/
csca/synchrot.htm
Crystallographic societies: http://www.iucr.org/cww-top/geo.index.html
DGK Deutsche Gesellschaft für Kristallographie: http://www.dgkristall2.de/International Union of Crystallography: http://www.
iucr.org
Europe: National coordinating structures of synchrotron radiation users: http: //www.esf.org/publication/71/synchrosurvey.pdf
European Crystallographic Association: http://www.ecanews.org/meetings.htm
European Synchrotron Radiation Society: http://fy.chalmers.se/esrs/
European Strategy Forum on Research Infrastructures, ESFRI: http://europa.eu/rapid/pressReleasesAction.do?reference=MEMO/
06/384&format=HTML&aged=1&language=EN&guiLanguage=en.
Italian Society for Synchrotron Radiation (SILS): http://www.chem.uniroma1.it/~dicastro/sils.html, http://www.fis.uniroma3.it/sils/
apertura.htm
The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research (JSSRR): http://www.iijnet.or.jp/JSSRR/ http://www.jssrr.jp/
Komitee Forschung mit Synchrotronstrahlung: http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/kfsyn/start.html
Latvian Synchrotron Radiation Society (LSRS): http://www.dragon.lv/lsrs
Polish Synchrotron Radiation Society (PSRS): http://info.ifpan.edu.pl/PTPS/index.html
Scientific societies: http://www.uksaf.org/sites.html
Scientific societies for microscopy and microanalysis: http://www.2spi.com/scisoc.html
Society of MAXlab users (FASM): http://usx218.fysik.uu.se/fasm/
World Scientific Societies: http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Scientific_societies
LINKS TO LIGHT SOURCES:
http://www.lightsources.org/
http://srs.dl.ac.uk:1080/srworld
http://www.esrf.fr/navigate/synchrotrons.html
http://www1.psi.ch/www_sls_hn/sls_other_laboratories.htmlx
http://www-als.lbl.gov/als/synchrotron_sources.html
CONFERENCES AND COURSES
http://www.lightsources.org/
http://www.iucr.org/cww-top/mtg.subject.html
http://www.kongresy.waw.pl/
http://www.rsc.org/ConferencesAndEvents/
http://bazy.opi.org.pl/
http://www.allconferences.com/
http://www.semiconductors.co.uk/conferences/2005.htm
http://www.materialstoday.com/conferences_2005.htm
http://www.mnii.gov.pl/mnii/index.jsp?place=Menu06&
news_cat_id=88&layout=2
http://www.desy.de/conferences/
http://www.nature.com/nature-events/home_vm.do
http://www.aps.anl.gov/Education/Courses_on_Synchrotron_
Radiation/
JOURNALS:
Journal of Synchrotron Radiation: http://journals.iucr.org/s/
journalhomepage.html
Advances in X-ray Analysis: http://www.icdd.com/resources/
axasearch/AXA_login.php (free access)
Conference proceedings of meetings organised/co-organised by Polish Synchrotron Radiation
Society, 1992-2005
1) 1st ISSRNS, Jaszowiec 13-21.05.1992, eds.: K. ŁawniczakJabłońska, G. Kowalski, Acta Physica Polonica A, Vol. 82,
No 1 & No 2, 1992.
2) 2nd KSUPS, Mogilany, 1993, ed. J. Konior, Universitatis
Iagellonicae Folia Physica Fasc. XXXVI, 1994.
3) 2nd ISSRNS, Jaszowiec 18-26.05..1994, eds.: K. Ławniczak-Jabłońska, R. Iwanowski, Acta Phys. Polonica A, Vol.
86, No 4 & No 5, 1994.
4) 3rd KSUPS, Warszawa, 6-7.06.1995, Zastosowanie promieniowania synchrotronowego, ed.: E. Sobczak (Fundacja im.
Wojciecha Świętosławskiego, Gliwice, 1995).
5) 3rd ISSRNS, Jaszowiec 31.05.– 8.06.1996, ed. J. Konior,
Acta Phys. Polonica A, Vol. 91, No 4 & No 5, 1997.
6) 4th KSUPS, Kraków-Przegorzaly, 18-19.06.1997, Application of Synchrotron Radiation to the Study of Inorganic
and Biological Materials, ed.: J. Grochowski, Universitatis
Iagellonicae Folia Physica Fasc. XXXIX, 1998.
7) 4th ISSRNS, Ustroń-Jaszowiec, 15-20.06.1998, eds: W.
Paszkowicz, E. Sobczak, Journal of Alloys and Compounds,
Vol. 286, No 1-2, 1999.
8) 5th KSUPS, Warszawa, 31.05.–1.06.1999, Synchrotron
Radiation Studies of Materials, eds.: M. Lefeld-Sosnowska,
J. Gronkowski, (Institute of Experimental Physics, Warsaw
University, Warsaw 1999).
9) 5th ISSRNS, Ustroń-Jaszowiec, 12-17.06.2000, eds: Cz.
Kapusta, W.M. Kwiatek, J. Konior, M. Stankiewicz, Journal
of Alloys and Compounds, Vol. 328, No 1-2, 2001.
10)SYNCRYS 2001, Krynica-Czarny Potok, 31.08-4.09.2001,
Synchrotron Crystallography – from Source to Applications,
ed.: J. Grochowski in collab. with W. Paszkowicz, Acta
Physica Polonica A, Vol. 101, No 5, 2002.
11) 6th ISSRNS, Ustroń-Jaszowiec, 17-22.06.2002, ed.: W.
Paszkowicz, A. Burian, J. Gronkowski, B.J. Kowalski, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 362, No 1-2 (2004).
12)European Materials Research Society Fall Meeting, Symposium B, 15–19.09.2003, Warsaw, Ed.: W. Paszkowicz, J. Pełka,
Journal of Alloys and Compounds, Vol. 382, No 1-2, 2004.
13)7th ISSRNS, Zakopane 8-13.06.2004, ed.: W. Paszkowicz,
B.J. Kowalski, E.A. Görlich, Z. Kaszkur, Journal of Alloys
and Compounds, Vol. 401, No 1-2, 2005.
118

MAPA DROGOWA UMACNIA NAUKĘ EUROPEJSKĄ

Transcription

Similar documents

A Closer Look at Pore Geometry

zobacz - Lingwistyczna Szkoła Wyższa w Warszawie

fiat ducato natural power

Radiation sensitivity tests of the HARMONIE 37h1 NWP model

DAILY TECHNICAL ANALYSIS REPORT

Full Copy - Tennessee Genealogical Society

Fall 2011 - William Glasser International

College Student Attrition and Retention - Research

abstract book

manual of stereotypes and images

1 johdanto

2014 Issue 2.indb - Right Stuf Anime

Cyfrowe Przetwarzanie Obrazów Wykład 1

Platforma .NET – Wykład 2 Składowe platformy .NET

2016 Issue 1 - Right Stuf Anime

- Film Score Monthly