Spektar sinkrotronskog zračenja nije tako velik. Odnosno, može se podijeliti na samo nekoliko vrsta. Ako je čestica nerelativistička, tada se takvo zračenje naziva ciklotronska emisija. Ako su, s druge strane, čestice relativističke prirode, tada se zračenje koje proizlazi iz njihove interakcije ponekad naziva ultrarelativističkim. Sinkrono zračenje može se postići bilo umjetno (u sinkrotronima ili skladišnim prstenovima) ili prirodno zbog brzih elektrona koji se kreću kroz magnetska polja. Tako proizvedeno zračenje ima karakterističnu polarizaciju, a generirane frekvencije mogu varirati u cijelom elektromagnetskom spektru, koji se također naziva kontinuumsko zračenje.
Otvaranje
Ovaj fenomen je dobio ime po sinkrotronskom generatoru General Electrica izgrađenom 1946. godine. Njegovo postojanje objavili su u svibnju 1947. znanstvenici Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir i HerbPollock u svom pismu "Zračenje elektrona u sinkrotronu". Ali ovo je bilo samo teorijsko otkriće, o prvom stvarnom opažanju ovog fenomena pročitat ćete u nastavku.
Izvori
Kada su čestice visoke energije u ubrzanju, uključujući elektrone prisiljene da se kreću duž zakrivljene staze magnetskim poljem, nastaje sinkrotronsko zračenje. Ovo je slično radio anteni, ali s tom razlikom što će teoretski relativistička brzina promijeniti promatranu frekvenciju zbog Dopplerovog efekta za Lorentzov koeficijent γ. Skraćivanje relativističke duljine tada pogađa frekvenciju koju opaža drugi faktor γ, čime se povećava frekvencija GHz rezonantne šupljine koja ubrzava elektrone u području X-zraka. Snaga zračenja određena je relativističkom Larmorovom formulom, a sila na zračeni elektron određena je Abraham-Lorentz-Diracovom silom.
Ostale značajke
Uzorak zračenja može se izobličiti iz izotropnog dipolnog uzorka u visoko usmjereni stožac zračenja. Elektronsko sinkrotronsko zračenje je najsjajniji umjetni izvor X-zraka.
Čini se da geometrija ravninskog ubrzanja čini zračenje linearno polariziranim kada se gleda u ravnini orbite i kružno polariziranim kada se gleda pod blagim kutom prema toj ravnini. Međutim, amplituda i frekvencija su centrirana na polarnoj ekliptici.
Izvor sinkrotronskog zračenja također je izvor elektromagnetskog zračenja (EM), što jeprsten za skladištenje dizajniran za znanstvene i tehničke svrhe. Ovo zračenje ne proizvode samo skladišni prstenovi, već i drugi specijalizirani akceleratori čestica, obično ubrzavajući elektrone. Jednom kada se generira snop elektrona visoke energije, usmjerava se na pomoćne komponente kao što su magneti za savijanje i uređaji za umetanje (undulatori ili wiggleri). Oni pružaju snažna magnetska polja, okomite zrake, koji su neophodni za pretvaranje elektrona visoke energije u fotone.
Upotreba sinkrotronskog zračenja
Glavne primjene sinkrotronskog svjetla su fizika kondenzirane tvari, znanost o materijalima, biologija i medicina. Većina eksperimenata korištenjem sinkrotronskog svjetla odnosi se na proučavanje strukture tvari od podnanometarske razine elektronske strukture do razine mikrometra i milimetra, što je važno za medicinsko snimanje. Primjer praktične industrijske primjene je proizvodnja mikrostruktura postupkom LIGA.
Sinkrotronsko zračenje također generiraju astronomski objekti, obično gdje se relativistički elektroni spirale (i stoga mijenjaju brzinu) kroz magnetska polja.
Povijest
Ovo je zračenje prvi put otkrio Geoffrey R. Burbidge u raketi koju je ispalio Messier 87 1956. godine, koji je to vidio kao potvrdu predviđanja Iosifa Shklovskog iz 1953., ali su ga ranije predvidjeli Hannes Alfven i Nikolai Herlofson u 1950. godine. Sunčeve baklje ubrzavaju česticekoji emitiraju na ovaj način, kako je predložio R. Giovanolli 1948. i kritički opisao Piddington 1952.
razmak
Predloženo je da supermasivne crne rupe stvaraju sinkrotronsko zračenje gurajući mlazove stvorene gravitacijskim ubrzavajućim ionima kroz superžične "cijevaste" polarne regije magnetskih polja. Takve mlaznice, najbliže od njih u Messieru 87, teleskop Hubble identificirao je kao superluminalne signale koji se kreću frekvencijom od 6 × s (šest puta brzinom svjetlosti) iz našeg planetarnog okvira. Ovaj fenomen uzrokovan je mlazovima koji putuju vrlo blizu brzine svjetlosti i pod vrlo malim kutom prema promatraču. Budući da mlaznice velike brzine emitiraju svjetlost na svakoj točki svoje putanje, svjetlost koju emitiraju ne približava se promatraču mnogo brže od samog mlaza. Svjetlost emitirana tijekom stotina godina putovanja tako do promatrača dolazi u znatno kraćem vremenskom razdoblju (deset ili dvadeset godina). U ovom fenomenu nema kršenja specijalne teorije relativnosti.
Nedavno je otkrivena impulzivna emisija gama zračenja iz maglice sa svjetlinom do ≧25 GeV, vjerojatno zbog sinkrotronske emisije elektrona zarobljenih u jakom magnetskom polju oko pulsara. Klasa astronomskih izvora kod kojih je važna sinkrotronska emisija su maglice vjetra pulsara, ili plerioni, od kojih su Rakova maglica i s njom povezani pulsari arhetipski. Polarizacija u Rakovinoj maglici pri energijama između 0,1 i 1,0 MeV tipično je sinkrotronsko zračenje.
Ukratko o izračunu i sudaračima
U jednadžbama na ovu temu često se pišu posebni pojmovi ili vrijednosti, simbolizirajući čestice koje čine takozvano polje brzine. Ovi pojmovi predstavljaju učinak statičkog polja čestice, koje je funkcija nulte ili konstantne komponente brzine njezina gibanja. Naprotiv, drugi član pada kao recipročna vrijednost prve snage udaljenosti od izvora, a neki se pojmovi nazivaju poljem ubrzanja ili poljem zračenja jer su komponente polja zbog ubrzanja naboja (promjena brzine).
Dakle, snaga zračenja se mjeri kao energija četvrte snage. Ovo zračenje ograničava energiju kružnog sudarača elektron-pozitrona. Obično su protonski sudarači umjesto toga ograničeni maksimalnim magnetskim poljem. Stoga, na primjer, Veliki hadronski sudarač ima energiju središta mase 70 puta veću od bilo kojeg drugog akceleratora čestica, čak i ako je masa protona 2000 puta veća od mase elektrona.
Terminologija
Različita polja znanosti često imaju različite načine definiranja pojmova. Nažalost, u području X-zraka nekoliko pojmova znači isto što i "zračenje". Neki autori koriste izraz "svjetlina", koji se nekada koristio za označavanje fotometrijske svjetline, ili je pogrešno korišten zaoznake radiometrijskog zračenja. Intenzitet znači gustoću snage po jedinici površine, ali za rendgenske izvore obično znači sjaj.
Mehanizam nastanka
Sinkrotronsko zračenje može se pojaviti u akceleratorima ili kao nepredviđena pogreška, 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. Snažna magnetska polja prisiljavaju elektrone da se kreću po zatvorenom putu. Slično je radio anteni, ali s tom razlikom što relativistička brzina mijenja promatranu frekvenciju zbog Dopplerovog efekta. Relativistička Lorentzova kontrakcija utječe na frekvenciju gigaherca, čime je umnožava u rezonantnoj šupljini koja ubrzava elektrone u rendgensko područje. Još jedan dramatičan učinak relativnosti je da je uzorak zračenja iskrivljen od izotropnog dipolnog uzorka koji se očekuje od nerelativističke teorije do izrazito usmjerenog radijacijskog stošca. To čini difrakciju sinkrotronskog zračenja najboljim načinom za stvaranje X-zraka. Ravna geometrija ubrzanja čini zračenje linearno polariziranim kada se gleda u ravnini orbite i stvara kružnu polarizaciju kada se gleda pod blagim kutom prema ovoj ravnini.
Različite upotrebe
Prednosti korištenjasinkrotronsko zračenje za spektroskopiju i difrakciju provodi sve veća znanstvena zajednica od 1960-ih i 1970-ih. U početku su akceleratori stvoreni za fiziku čestica. U "parazitskom načinu rada" korišteno je sinhrotronsko zračenje, gdje se magnetsko zračenje savijanja moralo ekstrahirati bušenjem dodatnih rupa u cijevima snopa. Prvi skladišni prsten predstavljen kao sinkrotronski izvor svjetlosti bio je Tantalus, koji je prvi put lansiran 1968. godine. Kako je zračenje akceleratora postajalo sve intenzivnije, a njegove primjene sve obećavajuće, u postojeće prstenove ugrađeni su uređaji koji su pojačavali njegov intenzitet. Metoda difrakcije sinkrotronskog zračenja razvijena je i optimizirana od samog početka za dobivanje visokokvalitetnih rendgenskih zraka. Razmatraju se izvori četvrte generacije, koji će uključivati različite koncepte za stvaranje ultra-briljantnih, impulsnih, vremenski ograničenih strukturnih X-zraka za iznimno zahtjevne i možda još nestvorene eksperimente.
Prvi uređaji
U početku su se za generiranje ovog zračenja koristili elektromagneti savijanja u akceleratorima, ali su se za stvaranje jačeg svjetlosnog efekta ponekad koristili i drugi specijalizirani uređaji, uređaji za umetanje. Metode difrakcije sinkrotronskog zračenja (treća generacija) obično ovise o izvornim uređajima, gdje ravni dijelovi skladišnog prstena sadrže periodičnemagnetske strukture (sadrže mnogo magneta u obliku izmjeničnih N i S polova) koje uzrokuju pomicanje elektrona sinusoidnim ili spiralnim putem. Dakle, umjesto jednog zavoja, mnogi deseci ili stotine "vrtloga" u točno izračunatim pozicijama dodaju ili množe ukupni intenzitet snopa. Ti se uređaji nazivaju wiggleri ili ondulatori. Glavna razlika između ondulatora i wigglera je intenzitet njihovog magnetskog polja i amplituda odstupanja od izravnog puta elektrona. Svi ovi uređaji i mehanizmi sada su pohranjeni u Centru za sinkrotronsko zračenje (SAD).
Izvlačenje
Akumulator ima rupe koje omogućuju česticama da napuste pozadinu zračenja i slijede liniju snopa do vakuumske komore eksperimentatora. Velik broj takvih zraka može doći iz modernih uređaja za sinkrotronsko zračenje treće generacije.
Elektroni se mogu izdvojiti iz stvarnog akceleratora i pohraniti u pomoćno magnetsko skladište ultra-visokog vakuuma, odakle se mogu izvući (i gdje se mogu reproducirati) veliki broj puta. Magneti u prstenu također moraju opetovano rekomprimirati snop protiv "Coulombovih sila" (ili, jednostavnije, prostornih naboja) koji nastoje uništiti snopove elektrona. Promjena smjera je oblik ubrzanja, jer elektroni emitiraju zračenje pri visokim energijama i velikim brzinama ubrzanja u akceleratoru čestica. U pravilu, svjetlina sinkrotronskog zračenja također ovisi o istoj brzini.
