Widmo promieniowania synchrotronowego nie jest tak duże. Oznacza to, że można go podzielić tylko na kilka typów. Jeśli cząsteczka jest nierelatywistyczna, wówczas takie promieniowanie nazywamy emisją cyklotronową. Jeśli natomiast cząstki mają charakter relatywistyczny, to promieniowanie powstałe w wyniku ich oddziaływania nazywa się czasem ultrarelatywistycznym. Promieniowanie synchroniczne można uzyskać sztucznie (w synchrotronach lub pierścieniach akumulacyjnych) lub naturalnie dzięki szybkim elektronom poruszającym się w polach magnetycznych. Wytworzone w ten sposób promieniowanie ma charakterystyczną polaryzację, a generowane częstotliwości mogą zmieniać się w całym spektrum elektromagnetycznym, zwanym również promieniowaniem ciągłym.
Otwarcie
Zjawisko to zostało nazwane na cześć generatora synchrotronowego General Electric zbudowanego w 1946 roku. Jego istnienie ogłosili w maju 1947 r. naukowcy Frank Elder, Anatolij Gurevich, Robert Langmuir i HerbPollock w swoim liście „Promieniowanie elektronów w synchrotronie”. Ale to było tylko teoretyczne odkrycie, o pierwszej prawdziwej obserwacji tego zjawiska przeczytasz poniżej.
Źródła
Kiedy cząstki o wysokiej energii są przyspieszane, w tym elektrony zmuszone do poruszania się po zakrzywionej ścieżce przez pole magnetyczne, wytwarzane jest promieniowanie synchrotronowe. Jest to podobne do anteny radiowej, z tą różnicą, że teoretycznie prędkość relatywistyczna zmieni obserwowaną częstotliwość na skutek efektu Dopplera o współczynnik Lorentza γ. Skrócenie relatywistycznej długości uderza następnie w częstotliwość obserwowaną przez inny czynnik γ, zwiększając w ten sposób częstotliwość GHz wnęki rezonansowej, która przyspiesza elektrony w zakresie rentgenowskim. Moc promieniowania jest określona przez relatywistyczną formułę Larmora, a siła na wypromieniowanym elektronie jest określona przez siłę Abrahama-Lorentza-Diraca.
Inne funkcje
Wzór promieniowania może zostać zniekształcony z izotropowego wzoru dipola w silnie ukierunkowany stożek promieniowania. Promieniowanie synchrotronowe elektronów jest najjaśniejszym sztucznym źródłem promieniowania rentgenowskiego.
Wydaje się, że geometria przyspieszenia płaskiego sprawia, że promieniowanie jest spolaryzowane liniowo, gdy jest oglądane w płaszczyźnie orbity i kołowo spolaryzowane, gdy jest oglądane pod niewielkim kątem do tej płaszczyzny. Amplituda i częstotliwość są jednak wyśrodkowane na ekliptyce biegunowej.
Źródłem promieniowania synchrotronowego jest również źródło promieniowania elektromagnetycznego (EM), które jestpierścień akumulacyjny przeznaczony do celów naukowych i technicznych. Promieniowanie to jest wytwarzane nie tylko przez pierścienie akumulacyjne, ale także przez inne wyspecjalizowane akceleratory cząstek, zwykle przyspieszające elektrony. Wygenerowana wiązka elektronów o wysokiej energii jest kierowana na elementy pomocnicze, takie jak magnesy zginające i urządzenia wprowadzające (undulatory lub wigglery). Zapewniają silne pola magnetyczne, prostopadłe wiązki, które są niezbędne do zamiany wysokoenergetycznych elektronów na fotony.
Zastosowanie promieniowania synchrotronowego
Główne zastosowania światła synchrotronowego to fizyka materii skondensowanej, materiałoznawstwo, biologia i medycyna. Większość eksperymentów z wykorzystaniem światła synchrotronowego związana jest z badaniem struktury materii od subnanometrycznego poziomu struktury elektronowej do poziomu mikrometra i milimetra, co jest ważne dla obrazowania medycznego. Przykładem praktycznego zastosowania przemysłowego jest produkcja mikrostruktur w procesie LIGA.
Promieniowanie synchrotronowe jest również generowane przez obiekty astronomiczne, zwykle w których relatywistyczne elektrony poruszają się po spirali (i dlatego zmieniają prędkość) poprzez pola magnetyczne.
Historia
Promieniowanie to zostało po raz pierwszy odkryte w rakiecie wystrzelonej przez Messiera 87 w 1956 roku przez Geoffreya R. Burbidge'a, który uznał je za potwierdzenie przepowiedni Iosifa Szklowskiego z 1953 roku, ale przewidzieli je wcześniej Hannes Alfven i Nikolai Herlofson w 1950. Rozbłyski słoneczne przyspieszają cząsteczkiktóre emitują w ten sposób, jak zaproponował R. Giovanolli w 1948 roku i krytycznie opisany przez Piddingtona w 1952 roku.
Przestrzeń
Sugeruje się, że supermasywne czarne dziury wytwarzają promieniowanie synchrotronowe poprzez przepychanie dżetów wytworzonych przez grawitacyjnie przyspieszające jony przez superkordowe „rurkowe” obszary polarne pól magnetycznych. Takie dżety, najbliższe z nich w Messier 87, zostały zidentyfikowane przez teleskop Hubble'a jako sygnały nadświetlne poruszające się z częstotliwością 6 × s (sześciokrotnie szybciej niż prędkość światła) z naszego układu planetarnego. Zjawisko to jest spowodowane przez dżety poruszające się bardzo blisko prędkości światła i pod bardzo małym kątem do obserwatora. Ponieważ szybkie dżety emitują światło w każdym punkcie swojej drogi, emitowane przez nie światło nie zbliża się do obserwatora znacznie szybciej niż sam dżet. Światło emitowane podczas setek lat podróży dociera więc do obserwatora w znacznie krótszym czasie (dziesięć lub dwadzieścia lat). Nie ma w tym zjawisku naruszenia szczególnej teorii względności.
Niedawno wykryto impulsową emisję promieniowania gamma z mgławicy o jasności do ~25 GeV, prawdopodobnie z powodu emisji synchrotronowej przez elektrony uwięzione w silnym polu magnetycznym wokół pulsara. Klasa źródeł astronomicznych, w których istotna jest emisja synchrotronów, to mgławice pulsarowe lub pleriony, których archetypami są mgławica Krab i związany z nią pulsar. Polaryzacja w Mgławicy Krab przy energiach od 0,1 do 1,0 MeV jest typowym promieniowaniem synchrotronowym.
Krótko o obliczeniach i zderzaczach
W równaniach na ten temat często zapisuje się specjalne terminy lub wartości, symbolizujące cząstki tworzące tak zwane pole prędkości. Terminy te reprezentują efekt pola statycznego cząstki, który jest funkcją składowej zerowej lub stałej prędkości jej ruchu. Wręcz przeciwnie, drugi człon odpada jako odwrotność pierwszej potęgi odległości od źródła, a niektóre człony nazywamy polem przyspieszenia lub polem promieniowania, ponieważ są one składowymi pola ze względu na przyspieszenie ładunku (zmiana prędkości).
W ten sposób moc promieniowania jest skalowana jako energia czwartej potęgi. Promieniowanie to ogranicza energię kołowego zderzacza elektron-pozyton. Zazwyczaj zderzacze protonów są ograniczone przez maksymalne pole magnetyczne. Dlatego na przykład Wielki Zderzacz Hadronów ma energię środka masy 70 razy większą niż jakikolwiek inny akcelerator cząstek, nawet jeśli masa protonu jest 2000 razy większa niż masa elektronu.
Terminologia
Różne dziedziny nauki często mają różne sposoby definiowania terminów. Niestety, w dziedzinie promieni rentgenowskich kilka terminów oznacza to samo, co „promieniowanie”. Niektórzy autorzy używają terminu „jasność”, który był kiedyś używany w odniesieniu do jasności fotometrycznej lub był używany niewłaściwie dlaoznaczenia promieniowania radiometrycznego. Intensywność oznacza gęstość mocy na jednostkę powierzchni, ale w przypadku źródeł promieniowania rentgenowskiego oznacza to zwykle jasność.
Mechanizm występowania
Promieniowanie synchrotronowe może wystąpić w akceleratorach albo jako nieprzewidziany błąd, powodując niepożądane straty energii w kontekście fizyki cząstek elementarnych, albo jako celowo zaprojektowane źródło promieniowania do wielu zastosowań laboratoryjnych. Elektrony są przyspieszane do dużych prędkości w kilku krokach, aby osiągnąć końcową energię, która zwykle mieści się w zakresie gigaelektronowoltów. Elektrony są zmuszane do poruszania się po zamkniętej ścieżce przez silne pola magnetyczne. Jest podobny do anteny radiowej, ale z tą różnicą, że prędkość relatywistyczna zmienia obserwowaną częstotliwość na skutek efektu Dopplera. Relatywistyczne skrócenie Lorentza wpływa na częstotliwość gigahercową, w ten sposób zwielokrotniając ją we wnęce rezonansowej, która przyspiesza elektrony w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Innym dramatycznym efektem teorii względności jest to, że wzór promieniowania jest zniekształcony od izotropowego wzoru dipola oczekiwanego od teorii nierelatywistycznej do ekstremalnie ukierunkowanego stożka promieniowania. To sprawia, że dyfrakcja promieniowania synchrotronowego jest najlepszym sposobem tworzenia promieni rentgenowskich. Płaska geometria przyspieszenia sprawia, że promieniowanie jest spolaryzowane liniowo, gdy jest oglądane w płaszczyźnie orbity i tworzy polaryzację kołową, gdy jest oglądane pod niewielkim kątem do tej płaszczyzny.
Różne zastosowania
Korzyści z używaniapromieniowanie synchrotronowe do spektroskopii i dyfrakcji jest wdrażane przez coraz większą społeczność naukową od lat 60. i 70. XX wieku. Na początku akceleratory zostały stworzone dla fizyki cząstek. W „trybie pasożytniczym” wykorzystano promieniowanie synchrotronowe, w którym zginające promieniowanie magnetyczne musiało zostać wydobyte przez wywiercenie dodatkowych otworów w rurach wiązki. Pierwszym pierścieniem akumulacyjnym wprowadzonym jako źródło światła synchrotronowego był Tantalus, który został po raz pierwszy wprowadzony na rynek w 1968 roku. W miarę jak promieniowanie akceleratora stawało się coraz bardziej intensywne, a jego zastosowania stawały się bardziej obiecujące, w istniejące pierścienie wbudowano urządzenia zwiększające jego intensywność. Metoda dyfrakcji promieniowania synchrotronowego została opracowana i zoptymalizowana od samego początku w celu uzyskania wysokiej jakości promieni rentgenowskich. Rozważane są źródła czwartej generacji, które obejmą różne koncepcje tworzenia ultrajasnych, pulsujących, synchronizowanych strukturalnych promieni rentgenowskich dla niezwykle wymagających i być może jeszcze nie stworzonych eksperymentów.
Pierwsze urządzenia
Najpierw do generowania tego promieniowania używano zginanych elektromagnesów w akceleratorach, ale czasami używano innych specjalistycznych urządzeń, urządzeń do wstawiania, aby uzyskać silniejszy efekt świetlny. Metody dyfrakcji promieniowania synchrotronowego (trzeciej generacji) zwykle zależą od urządzeń źródłowych, w których proste odcinki pierścienia akumulacyjnego zawierają okresowestruktury magnetyczne (zawierające wiele magnesów w postaci naprzemiennych biegunów N i S), które powodują ruch elektronów po torze sinusoidalnym lub spiralnym. Tak więc zamiast pojedynczego zagięcia, wiele dziesiątek lub setek „zawirowań” w precyzyjnie obliczonych pozycjach dodaje lub mnoży ogólną intensywność wiązki. Urządzenia te nazywane są wigglerami lub undulatorami. Główną różnicą między undulatorem a wigglerem jest natężenie ich pola magnetycznego i amplituda odchylenia od bezpośredniej ścieżki elektronów. Wszystkie te urządzenia i mechanizmy są obecnie przechowywane w Centrum Promieniowania Synchrotronowego (USA).
Ekstrakcja
Akumulator ma otwory, które pozwalają cząstkom opuścić tło promieniowania i podążać wzdłuż linii wiązki do komory próżniowej eksperymentatora. Duża liczba takich wiązek może pochodzić z nowoczesnych urządzeń promieniowania synchrotronowego trzeciej generacji.
Elektrony można wydobyć z właściwego akceleratora i przechowywać w pomocniczym magazynie magnetycznym o ultrawysokiej próżni, skąd można je wydobywać (i gdzie można je odtwarzać) dużą liczbę razy. Magnesy w pierścieniu muszą również wielokrotnie ponownie kompresować wiązkę przeciw „siłom kulombowskim” (lub prościej ładunkom kosmicznym), które mają tendencję do niszczenia wiązek elektronów. Zmiana kierunku jest formą przyspieszenia, ponieważ w akceleratorze cząstek elektrony emitują promieniowanie o wysokich energiach i dużych prędkościach przyspieszenia. Z reguły jasność promieniowania synchrotronowego zależy również od tej samej prędkości.
