Spektar sinhrotronskog zračenja nije tako velik. Odnosno, može se podijeliti na samo nekoliko tipova. Ako je čestica nerelativistička, tada se takvo zračenje naziva ciklotronska emisija. Ako su, s druge strane, čestice relativističke prirode, onda se zračenja koja nastaju njihovom interakcijom ponekad nazivaju ultrarelativističkim. Sinhrono zračenje se može postići umjetno (u sinhrotronima ili skladišnim prstenovima) ili prirodno zahvaljujući brzim elektronima koji se kreću kroz magnetska polja. Tako proizvedeno zračenje ima karakterističnu polarizaciju, a generirane frekvencije mogu varirati u cijelom elektromagnetnom spektru, koji se također naziva kontinuumsko zračenje.
Otvaranje
Ovaj fenomen je dobio ime po sinhrotronskom generatoru General Electrica izgrađenom 1946. godine. Njegovo postojanje objavili su u maju 1947. naučnici Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir i Herb. Pollock u svom pismu "Zračenje elektrona u sinhrotronu". Ali ovo je bilo samo teorijsko otkriće, o prvom stvarnom zapažanju ovog fenomena ćete pročitati u nastavku.
Izvori
Kada su čestice visoke energije u ubrzanju, uključujući elektrone prisiljene da se kreću duž zakrivljene putanje magnetskim poljem, nastaje sinhrotronsko zračenje. Ovo je slično radio anteni, ali s tom razlikom što će teoretski relativistička brzina promijeniti promatranu frekvenciju zbog Doplerovog efekta za Lorentz koeficijent γ. Skraćivanje relativističke dužine tada pogađa frekvenciju koju opaža drugi faktor γ, čime se povećava frekvencija GHz rezonantne šupljine koja ubrzava elektrone u rendgenskom području. Snaga zračenja određena je relativističkom Larmorovom formulom, a sila na zračeni elektron određena je Abraham-Lorentz-Diracovom silom.
Ostale karakteristike
Šablon zračenja može biti izobličen iz izotropnog dipolnog uzorka u visoko usmjereni konus zračenja. Elektronsko sinhrotronsko zračenje je najsjajniji vještački izvor rendgenskih zraka.
Izgleda da geometrija planarnog ubrzanja čini zračenje linearno polarizovanim kada se posmatra u ravni orbite i kružno polarizovanim kada se posmatra pod blagim uglom u odnosu na tu ravninu. Međutim, amplituda i frekvencija su centrirana na polarnoj ekliptici.
Izvor sinhrotronskog zračenja je i izvor elektromagnetnog zračenja (EM), što jeprsten za skladištenje dizajniran za naučne i tehničke svrhe. Ovo zračenje ne proizvode samo akumulacioni prstenovi, već i drugi specijalizovani akceleratori čestica, obično ubrzavajući elektrone. Jednom kada se generira visokoenergetski snop elektrona, on se usmjerava na pomoćne komponente kao što su magneti za savijanje i uređaji za umetanje (undulatori ili wiggleri). Oni pružaju snažna magnetna polja, okomite zrake, koji su neophodni za pretvaranje elektrona visoke energije u fotone.
Upotreba sinhrotronskog zračenja
Glavne primjene sinhrotronskog svjetla su fizika kondenzirane materije, nauka o materijalima, biologija i medicina. Većina eksperimenata sa sinhrotronskom svjetlošću odnosi se na proučavanje strukture materije od podnanometarskog nivoa elektronske strukture do nivoa mikrometra i milimetra, što je važno za medicinsko snimanje. Primjer praktične industrijske primjene je proizvodnja mikrostruktura korištenjem LIGA procesa.
Sinhrotronsko zračenje takođe generišu astronomski objekti, obično gde se relativistički elektroni spirale (i stoga menjaju brzinu) kroz magnetna polja.
Historija
Ovo zračenje je prvi put otkriveno u raketi koju je ispalio Messier 87 1956. od strane Geoffreyja R. Burbidgea, koji je to vidio kao potvrdu predviđanja Josifa Šklovskog iz 1953. godine, ali su ga ranije predvidjeli Hannes Alfven i Nikolai Herlofson u 1950. Solarne baklje ubrzavaju česticekoji emituju na ovaj način, kako je predložio R. Giovanolli 1948. i kritički opisao Piddington 1952.
razmak
Predloženo je da supermasivne crne rupe stvaraju sinhrotronsko zračenje gurajući mlazove stvorene gravitaciono ubrzavajućim jonima kroz super-žičane "cevaste" polarne oblasti magnetnih polja. Takve mlaznice, najbliže od njih u Messieru 87, je teleskop Hubble identificirao kao superluminalni signali koji se kreću frekvencijom od 6 × s (šest puta brzinom svjetlosti) iz našeg planetarnog okvira. Ovaj fenomen je uzrokovan mlazovima koji putuju vrlo blizu brzine svjetlosti i pod vrlo malim uglom u odnosu na posmatrača. Budući da mlaznice velike brzine emituju svjetlost na svakoj tački svoje putanje, svjetlost koju emituju ne približava se posmatraču mnogo brže od samog mlaza. Svjetlost koja se emituje tokom stotina godina putovanja tako dolazi do posmatrača u mnogo kraćem vremenskom periodu (deset ili dvadeset godina). U ovom fenomenu nema kršenja specijalne teorije relativnosti.
Nedavno je otkrivena impulsivna emisija gama zračenja iz magline sa sjajem do ≧25 GeV, vjerovatno zbog sinhrotronske emisije elektrona zarobljenih u jakom magnetnom polju oko pulsara. Klasa astronomskih izvora kod kojih je sinhrotronska emisija važna su magline pulsara vjetra, ili plerioni, od kojih su Rakova maglina i povezani pulsari arhetipski. Polarizacija u Rakovinoj magli pri energijama između 0,1 i 1,0 MeV je tipično sinhrotronsko zračenje.
Ukratko o proračunu i sudaračima
U jednadžbama na ovu temu često se pišu posebni termini ili vrijednosti, simbolizirajući čestice koje čine takozvano polje brzine. Ovi pojmovi predstavljaju efekat statičkog polja čestice, koje je funkcija nulte ili konstantne komponente brzine njenog kretanja. Naprotiv, drugi član pada kao recipročna vrijednost prve snage udaljenosti od izvora, a neki pojmovi se nazivaju polje ubrzanja ili polje zračenja jer su komponente polja zbog ubrzanja naboja (promjena brzine).
Dakle, izračena snaga je skalirana kao energija četvrtog stepena. Ovo zračenje ograničava energiju kružnog sudarača elektron-pozitrona. Obično su protonski sudarači ograničeni maksimalnim magnetnim poljem. Stoga, na primjer, Veliki hadronski sudarač ima energiju centra mase 70 puta veću od bilo kojeg drugog akceleratora čestica, čak i ako je masa protona 2000 puta veća od mase elektrona.
Terminologija
Različite oblasti nauke često imaju različite načine definisanja pojmova. Nažalost, u oblasti rendgenskih zraka, nekoliko pojmova znači isto što i "zračenje". Neki autori koriste izraz "svjetlina", koji se nekada koristio za označavanje fotometrijske svjetlosti, ili je pogrešno korišten zaoznake radiometrijskog zračenja. Intenzitet znači gustinu snage po jedinici površine, ali za rendgenske izvore to obično znači sjaj.
Mehanizam nastanka
Sinhrotronsko zračenje može se pojaviti u akceleratorima ili kao nepredviđena greška, uzrokujući neželjene gubitke energije u kontekstu fizike čestica, ili kao namjerno dizajniran izvor zračenja za brojne laboratorijske primjene. Elektroni se ubrzavaju do velikih brzina u nekoliko koraka kako bi postigli konačnu energiju koja je obično u rasponu od gigaelektronvolta. Jaka magnetna polja prisiljavaju elektrone da se kreću po zatvorenoj putanji. Slično je radio anteni, ali s tom razlikom što relativistička brzina mijenja promatranu frekvenciju zbog Doplerovog efekta. Relativistička Lorencova kontrakcija utiče na frekvenciju gigaherca, umnožavajući je na taj način u rezonantnoj šupljini koja ubrzava elektrone u rendgenski opseg. Još jedan dramatičan učinak relativnosti je da je obrazac zračenja izobličen od izotropnog dipolnog uzorka koji se očekuje od nerelativističke teorije do ekstremno usmjerenog radijacionog stožca. Ovo čini difrakciju sinhrotronskog zračenja najboljim načinom za stvaranje rendgenskih zraka. Ravna geometrija ubrzanja čini zračenje linearno polarizovanim kada se posmatra u ravni orbite i stvara kružnu polarizaciju kada se posmatra pod blagim uglom u odnosu na ovu ravninu.
Različita upotreba
Prednosti korištenjasinhrotronsko zračenje za spektroskopiju i difrakciju implementira sve veća naučna zajednica od 1960-ih i 1970-ih. U početku su stvoreni akceleratori za fiziku čestica. U "parazitskom modu" je korišteno sinhrotronsko zračenje, gdje je magnetsko zračenje savijanja moralo biti izvučeno bušenjem dodatnih rupa u cijevima snopa. Prvi skladišni prsten predstavljen kao sinhrotronski izvor svjetlosti bio je Tantalus, koji je prvi put lansiran 1968. godine. Kako je zračenje akceleratora postajalo sve intenzivnije i njegove primjene sve obećavajuće, uređaji koji su pojačavali njegov intenzitet ugrađeni su u postojeće prstenove. Metoda difrakcije sinhrotronskog zračenja razvijena je i optimizirana od samog početka kako bi se dobili visokokvalitetni rendgenski zraci. Razmatraju se izvori četvrte generacije, koji će uključivati različite koncepte za stvaranje ultra-briljantnih, impulsnih, vremenski ograničenih strukturnih X zraka za izuzetno zahtjevne i možda još nestvorene eksperimente.
Prvi uređaji
U početku su se za generiranje ovog zračenja koristili elektromagneti savijanja u akceleratorima, ali su se ponekad koristili i drugi specijalizovani uređaji, uređaji za umetanje za stvaranje jačeg svjetlosnog efekta. Metode difrakcije sinhrotronskog zračenja (treća generacija) obično ovise o izvornim uređajima, gdje ravni dijelovi skladišnog prstena sadrže periodičnemagnetne strukture (sadrže mnogo magneta u obliku naizmjeničnih N i S polova) koje uzrokuju kretanje elektrona po sinusoidnoj ili spiralnoj putanji. Dakle, umjesto jedne krivine, mnogo desetina ili stotina "kovitla" u precizno izračunatim pozicijama dodaje ili množi ukupni intenzitet zraka. Ovi uređaji se nazivaju wigglers ili undulatori. Glavna razlika između ondulatora i wigglera je intenzitet njihovog magnetnog polja i amplituda odstupanja od direktne putanje elektrona. Svi ovi uređaji i mehanizmi su sada pohranjeni u Centru za sinhrotronsko zračenje (SAD).
Izvlačenje
Akumulator ima rupe koje dozvoljavaju česticama da napuste pozadinu zračenja i prate liniju zraka do vakuumske komore eksperimentatora. Veliki broj takvih zraka može doći iz modernih uređaja treće generacije sinhrotronskog zračenja.
Elektroni se mogu izvući iz stvarnog akceleratora i pohraniti u pomoćno magnetno skladište ultra-visokog vakuuma, odakle se mogu ekstrahovati (i gdje se mogu reprodukovati) veliki broj puta. Magneti u prstenu također moraju više puta rekomprimirati snop protiv "Kulonova sila" (ili, jednostavnije, svemirskih naboja) koje teže da unište snopove elektrona. Promjena smjera je oblik ubrzanja, jer elektroni emituju zračenje pri visokim energijama i velikim brzinama ubrzanja u akceleratoru čestica. Po pravilu, od iste brzine zavisi i sjaj sinhrotronskog zračenja.
