Спектърът на синхротронното лъчение не е толкова голям. Тоест може да се раздели само на няколко вида. Ако частицата е нерелативистична, тогава такова излъчване се нарича циклотронно излъчване. Ако, от друга страна, частиците са релативистки по природа, тогава излъчванията, произтичащи от тяхното взаимодействие, понякога се наричат ултрарелативистични. Синхронното излъчване може да бъде постигнато или изкуствено (в синхротрони или акумулаторни пръстени), или естествено поради бързи електрони, движещи се през магнитни полета. Така произведеното лъчение има характерна поляризация и генерираните честоти могат да варират в целия електромагнитен спектър, наричан още континуумно излъчване.
Отваряне
Този феномен е кръстен на синхротронния генератор на General Electric, построен през 1946 г. Неговото съществуване е обявено през май 1947 г. от учените Франк Елдър, Анатолий Гуревич, Робърт Лангмюър и ХърбПолок в писмото си "Излъчване от електрони в синхротрона". Но това беше само теоретично откритие, по-долу ще прочетете за първото реално наблюдение на това явление.
Източници
Когато високоенергийни частици са в ускорение, включително електрони, принудени да се движат по извит път от магнитно поле, се произвежда синхротронно излъчване. Това е подобно на радио антена, но с тази разлика, че теоретично релативистичната скорост ще промени наблюдаваната честота поради ефекта на Доплер чрез коефициента на Лоренц γ. След това скъсяването на релативистичната дължина удря честотата, наблюдавана от друг фактор γ, като по този начин увеличава честотата на GHz на резонансната кухина, която ускорява електроните в рентгеновия диапазон. Излъчената мощност се определя от релативистичната формула на Лармор, а силата върху излъчения електрон се определя от силата на Абрахам-Лоренц-Дирак.
Други функции
Моделът на излъчване може да бъде изкривен от изотропен диполен модел в силно насочен конус на радиация. Електронното синхротронно лъчение е най-яркият изкуствен източник на рентгенови лъчи.
Геометрията на планарното ускорение изглежда прави радиацията линейно поляризирана, когато се гледа в равнината на орбитата, и кръгово поляризирана, когато се гледа под лек ъгъл спрямо тази равнина. Амплитудата и честотата обаче са центрирани върху полярната еклиптика.
Източникът на синхротронно лъчение е и източник на електромагнитно лъчение (ЕМ), което епръстен за съхранение, предназначен за научни и технически цели. Това излъчване се произвежда не само от акумулаторни пръстени, но и от други специализирани ускорители на частици, обикновено ускоряващи електрони. След като се генерира високоенергиен електронен лъч, той се насочва към помощни компоненти като огъващи магнити и устройства за вмъкване (ондулатори или виглери). Те осигуряват силни магнитни полета, перпендикулярни лъчи, които са необходими за преобразуване на високоенергийни електрони във фотони.
Използване на синхротронно лъчение
Основните приложения на синхротронната светлина са физиката на кондензираната материя, материалознанието, биологията и медицината. Повечето от експериментите, използващи синхротронна светлина, са свързани с изследването на структурата на материята от поднанометровото ниво на електронната структура до нивото на микрометър и милиметър, което е важно за медицински изображения. Пример за практическо индустриално приложение е производството на микроструктури с помощта на процеса LIGA.
Синхротронното лъчение също се генерира от астрономически обекти, обикновено където релативистките електрони се спират (и следователно променят скоростта) през магнитни полета.
История
Това излъчване е открито за първи път в ракета, изстреляна от Месие 87 през 1956 г. от Джефри Р. Бърбидж, който го вижда като потвърждение на предсказанието на Йосиф Шкловски през 1953 г., но е предсказано по-рано от Ханес Алфвен и Николай Херлофсон през 1950 г. Слънчевите изригвания ускоряват частицитекоито излъчват по този начин, както е предложено от R. Giovanolli през 1948 г. и критично описано от Piddington през 1952 г.
Пространство
Предвижда се свръхмасивни черни дупки да създават синхротронно излъчване чрез изтласкване на струи, създадени от гравитационно ускоряващи йони, през свръхкордни "тръбни" полярни области на магнитни полета. Такива струи, най-близките от тях в Messier 87, бяха идентифицирани от телескопа Хъбъл като свръхсветлинни сигнали, движещи се с честота 6 × s (шест пъти скоростта на светлината) от нашата планетарна рамка. Това явление се причинява от струите, които се движат много близо до скоростта на светлината и под много малък ъгъл спрямо наблюдателя. Тъй като високоскоростните струи излъчват светлина във всяка точка по пътя си, светлината, която излъчват, не се приближава до наблюдателя много по-бързо от самата струя. По този начин светлината, излъчвана за стотици години на пътуване, достига до наблюдателя за много по-кратък период от време (десет или двадесет години). В това явление няма нарушение на специалната теория на относителността.
Наскоро беше открито импулсивно излъчване на гама-лъчение от мъглявина с яркост до ≧25 GeV, вероятно поради синхротронно излъчване от електрони, уловени в силно магнитно поле около пулсара. Клас астрономически източници, където синхротронното излъчване е важно, са мъглявините на пулсарния вятър или плериони, от които Раковата мъглявина и свързаният с нея пулсар са архетипни. Поляризацията в мъглявината Рак при енергии между 0,1 и 1,0 MeV е типична синхротронна радиация.
Накратко за изчисленията и колайдери
В уравненията по този въпрос често се записват специални термини или стойности, символизиращи частиците, които съставляват така нареченото поле на скоростта. Тези термини представляват ефекта от статичното поле на частицата, което е функция на нулевата или постоянната компонента на скоростта на нейното движение. Напротив, вторият член отпада като реципрочна на първата степен на разстоянието от източника, а някои термини се наричат поле на ускорение или радиационно поле, тъй като те са компоненти на полето поради ускорението на заряда (промяна в скоростта).
По този начин излъчваната мощност се мащабира като енергия от четвърта степен. Това излъчване ограничава енергията на електрон-позитронния кръгов колайдер. Обикновено протонните колайдери са ограничени от максималното магнитно поле. Ето защо, например, Големият адронен колайдер има енергия в центъра на масата 70 пъти по-висока от всеки друг ускорител на частици, дори ако масата на протона е 2000 пъти по-голяма от тази на електрона.
Терминология
Различните области на науката често имат различни начини за дефиниране на термини. За съжаление в областта на рентгеновите лъчи няколко термина означават едно и също нещо като "радиация". Някои автори използват термина "яркост", който някога е бил използван за обозначаване на фотометрична яркост или е бил използван неправилно заобозначения на радиометрично излъчване. Интензитетът означава плътност на мощността на единица площ, но за рентгенови източници обикновено означава блясък.
Механизъм на възникване
Синхротронното лъчение може да се появи в ускорителите или като непредвидена грешка, причиняваща нежелани загуби на енергия в контекста на физиката на елементарните частици, или като умишлено проектиран източник на радиация за множество лабораторни приложения. Електроните се ускоряват до високи скорости на няколко стъпки, за да достигнат крайна енергия, която обикновено е в диапазона от гигаелектронволта. Електроните са принудени да се движат по затворен път от силни магнитни полета. Той е подобен на радиоантена, но с тази разлика, че релативистичната скорост променя наблюдаваната честота поради ефекта на Доплер. Релативистичното съкращение на Лоренц влияе на гигахерцовата честота, като по този начин я умножава в резонансна кухина, която ускорява електроните в рентгеновия диапазон. Друг драматичен ефект на относителността е, че радиационният модел се изкривява от изотропния диполен модел, очакван от нерелативистичната теория към изключително насочен радиационен конус. Това прави дифракцията на синхротронното лъчение най-добрият начин за създаване на рентгенови лъчи. Плоската геометрия на ускорението прави излъчването линейно поляризирано, когато се гледа в равнината на орбитата и създава кръгова поляризация, когато се гледа под лек ъгъл спрямо тази равнина.
Различна употреба
Предимства от използванетоСинхротронното лъчение за спектроскопия и дифракция се прилагат от непрекъснато нарастваща научна общност от 1960-те и 1970-те години. В началото са създадени ускорители за физика на елементарните частици. „Паразитният режим“използва синхротронно излъчване, при което магнитното лъчение на огъване трябваше да бъде извлечено чрез пробиване на допълнителни отвори в лъчевите тръби. Първият пръстен за съхранение, въведен като синхротронен източник на светлина, беше Tantalus, който беше пуснат за първи път през 1968 г. Тъй като излъчването на ускорителя става по-интензивно и приложенията му стават по-обещаващи, устройства, които повишават неговата интензивност, са вградени в съществуващите пръстени. Методът за дифракция на синхротронно лъчение е разработен и оптимизиран от самото начало за получаване на висококачествени рентгенови лъчи. Обмислят се източници от четвърто поколение, които ще включват различни концепции за създаване на ултра-брилянтни, импулсни, синхронизирани структурни рентгенови лъчи за изключително взискателни и може би все още несъздадени експерименти.
Първи устройства
Първоначално за генериране на това излъчване се използваха огъващи електромагнити в ускорителите, но понякога се използваха други специализирани устройства, устройства за вмъкване, за да се създаде по-силен светлинен ефект. Методите за дифракция на синхротронно лъчение (трето поколение) обикновено зависят от устройствата източник, където правите участъци на акумулаторния пръстен съдържат периодичнимагнитни структури (съдържащи много магнити под формата на редуващи се N и S полюси), които карат електроните да се движат по синусоидален или спирален път. По този начин, вместо единичен завой, много десетки или стотици "вихри" в точно изчислени позиции добавят или умножават общия интензитет на лъча. Тези устройства се наричат wigglers или undulators. Основната разлика между ондулатор и виглер е интензитетът на тяхното магнитно поле и амплитудата на отклонението от директния път на електроните. Всички тези устройства и механизми сега се съхраняват в Центъра за синхротронно лъчение (САЩ).
Извличане
Акумулаторът има дупки, които позволяват на частиците да напуснат радиационния фон и да следват линията на лъча към вакуумната камера на експериментатора. Голям брой такива лъчи може да идват от съвременни устройства за синхротронно излъчване от трето поколение.
Електроните могат да бъдат извлечени от действителния ускорител и съхранявани в спомагателно магнитно съхранение с ултра-висок вакуум, откъдето могат да бъдат извлечени (и където могат да бъдат възпроизвеждани) голям брой пъти. Магнитите в пръстена също трябва многократно да компресират лъча срещу "кулоновите сили" (или, по-просто, космическите заряди), които са склонни да унищожат електронните групи. Промяната на посоката е форма на ускорение, тъй като електроните излъчват радиация при високи енергии и високи скорости на ускорение в ускорител на частици. По правило яркостта на синхротронното лъчение също зависи от същата скорост.
