Sinchrotroninės spinduliuotės spektras nėra toks didelis. Tai yra, jį galima suskirstyti tik į keletą tipų. Jei dalelė nėra reliatyvistinė, tokia spinduliuotė vadinama ciklotronų emisija. Kita vertus, jei dalelės yra reliatyvios prigimties, tada jų sąveikos atsirandanti spinduliuotė kartais vadinama ultrareliatyvistine. Sinchroninė spinduliuotė gali būti pasiekiama dirbtinai (sinchrotronuose arba saugojimo žieduose) arba natūraliai dėl greitų elektronų, judančių per magnetinius laukus. Taip sukuriama spinduliuotė turi būdingą poliarizaciją, o generuojami dažniai gali skirtis visame elektromagnetiniame spektre, dar vadinamame nepertraukiama spinduliuote.
Atidarymas
Šis reiškinys buvo pavadintas „General Electric“sinchrotroninio generatoriaus, pagaminto 1946 m., vardu. Apie jos egzistavimą 1947 m. gegužę paskelbė mokslininkai Frankas Elderis, Anatolijus Gurevičius, Robertas Langmuiras ir Herbas. Pollockas savo laiške „Spinduliavimas iš elektronų sinchrotrone“. Tačiau tai buvo tik teorinis atradimas, apie pirmąjį realų šio reiškinio pastebėjimą skaitysite žemiau.
Š altiniai
Kai didelės energijos dalelės įsibėgėja, įskaitant elektronus, kuriuos magnetinis laukas priverčia judėti lenktu keliu, susidaro sinchrotroninė spinduliuotė. Tai panašu į radijo anteną, tačiau teoriškai reliatyvistinis greitis pakeis stebimą dažnį dėl Doplerio efekto Lorenco koeficientu γ. Tada reliatyvistinio ilgio sutrumpinimas pasiekia dažnį, stebimą kito faktoriaus γ, taip padidindamas rezonansinės ertmės dažnį GHz, kuris pagreitina elektronus rentgeno spindulių diapazone. Spinduliavimo galia nustatoma pagal reliatyvistinę Larmor formulę, o jėgą spinduliuojančiam elektronui – Abraomo-Lorentzo-Diraco jėgą.
Kitos funkcijos
Spinduliavimo modelis gali būti iškreiptas iš izotropinio dipolio modelio į labai nukreiptą spinduliuotės kūgį. Elektronų sinchrotroninė spinduliuotė yra ryškiausias dirbtinis rentgeno spindulių š altinis.
Atrodo, kad plokštuminio pagreičio geometrija spinduliuotę daro tiesiškai poliarizuotą, kai žiūrima orbitos plokštumoje, ir apskrito poliarizaciją, kai žiūrima nedideliu kampu tos plokštumos atžvilgiu. Tačiau amplitudė ir dažnis yra orientuoti į poliarinę ekliptiką.
Sinchrotroninės spinduliuotės š altinis taip pat yra elektromagnetinės spinduliuotės (EM) š altinis,saugojimo žiedas, skirtas moksliniams ir techniniams tikslams. Šią spinduliuotę gamina ne tik kaupiamieji žiedai, bet ir kiti specializuoti dalelių greitintuvai, dažniausiai greitinantys elektronai. Sukūrus didelės energijos elektronų pluoštą, jis nukreipiamas į pagalbinius komponentus, tokius kaip lenkimo magnetai ir įterpimo įtaisai (vingiuotojai arba banglentės). Jie sukuria stiprius magnetinius laukus, statmenus pluoštus, kurie būtini didelės energijos elektronams paversti fotonais.
Sinchrotroninės spinduliuotės naudojimas
Pagrindinės sinchrotroninės šviesos taikymas yra kondensuotųjų medžiagų fizika, medžiagų mokslas, biologija ir medicina. Dauguma eksperimentų naudojant sinchrotroninę šviesą yra susiję su materijos struktūros tyrimu nuo elektroninės struktūros subnanometrinio lygio iki mikrometro ir milimetro lygio, kuris yra svarbus medicininiam vaizdavimui. Praktinio pritaikymo pramonėje pavyzdys yra mikrostruktūrų gamyba naudojant LIGA procesą.
Sinchrotroninę spinduliuotę taip pat generuoja astronominiai objektai, dažniausiai ten, kur reliatyvistiniai elektronai sukosi spirale (ir todėl keičia greitį) per magnetinius laukus.
Istorija
Šią spinduliuotę pirmą kartą 1956 m. Mesjė 87 paleistoje raketoje atrado Geoffrey'us R. Burbidge'as, matydamas, kad tai patvirtina Iosifo Shklovsky prognozę 1953 m., tačiau anksčiau ją numatė Hannesas Alfvenas ir Nikolajus Herlofsonas m. 1950 m. Saulės žybsniai pagreitina daleleskurios skleidžia tokiu būdu, kaip pasiūlė R. Giovanolli 1948 m. ir kritiškai aprašė Piddingtonas 1952 m.
Space
Supermasyvios juodosios skylės siūlomos sinchrotroninei spinduliuotei sukurti, stumiant čiurkšles, kurias sukuria gravitaciniu būdu greitinantys jonai, per superlaidinius „vamzdinius“magnetinių laukų poliarinius regionus. Tokius purkštukus, artimiausius iš jų Mesjė 87, Hablo teleskopas identifikavo kaip superluminalinius signalus, judančius 6 × s (šešis kartus didesniu už šviesos greitį) dažniu iš mūsų planetos rėmo. Šį reiškinį sukelia purkštukai, skriejantys labai arti šviesos greičio ir labai mažu kampu į stebėtoją. Kadangi didelės spartos purkštukai skleidžia šviesą kiekviename savo kelio taške, jų skleidžiama šviesa nepriartėja prie stebėtojo daug greičiau nei pati srovė. Taigi per šimtus metų sklindanti šviesa stebėtoją pasiekia per daug trumpesnį laiką (dešimt ar dvidešimt metų). Šis reiškinys nepažeidžia specialiosios reliatyvumo teorijos.
Neseniai buvo aptikta impulsyvi gama spinduliuotės emisija iš ūko, kurio šviesumas yra iki ≧25 GeV, tikriausiai dėl elektronų, įstrigusių stipriame magnetiniame lauke aplink pulsarą, sinchrotroninės emisijos. Astronominių š altinių klasė, kurioje svarbi sinchrotronų emisija, yra pulsaro vėjo ūkai arba plerionai, kurių archetipiniai yra Krabo ūkas ir su juo susijęs pulsaras. Krabo ūko poliarizacija, kai energija nuo 0,1 iki 1,0 MeV, yra tipiška sinchrotroninė spinduliuotė.
Trumpai apie skaičiavimus ir susidūrimus
Šios temos lygtyse dažnai rašomi specialūs terminai arba reikšmės, simbolizuojančios daleles, kurios sudaro vadinamąjį greičio lauką. Šie terminai reiškia dalelės statinio lauko poveikį, kuris yra jos judėjimo nulinio arba pastovaus greičio komponento funkcija. Priešingai, antrasis narys nukrenta kaip atstumo nuo š altinio pirmosios galios atvirkštinė vertė, o kai kurie terminai vadinami pagreičio lauku arba spinduliavimo lauku, nes jie yra lauko komponentai dėl krūvio pagreičio (greičio pokytis).
Todėl spinduliuojama galia priskaičiuojama kaip ketvirtosios galios energija. Ši spinduliuotė riboja elektronų-pozitronų žiedinio greitintuvo energiją. Paprastai protonų greitintuvus riboja didžiausias magnetinis laukas. Todėl, pavyzdžiui, Didžiojo hadronų greitintuvo masės energijos centras yra 70 kartų didesnis nei bet kurio kito dalelių greitintuvo, net jei protono masė yra 2000 kartų didesnė už elektrono.
Terminologija
Įvairiose mokslo srityse terminai dažnai apibrėžiami skirtingai. Deja, rentgeno spindulių srityje keli terminai reiškia tą patį, ką ir „radiacija“. Kai kurie autoriai vartoja terminą „ryškumas“, kuris kadaise buvo vartojamas fotometriniam ryškumui apibūdinti arba buvo vartojamas neteisingai.radiometrinės spinduliuotės pavadinimai. Intensyvumas reiškia galios tankį ploto vienetui, bet rentgeno spindulių š altiniams paprastai reiškia blizgesį.
Atsiradimo mechanizmas
Sinchrotroninė spinduliuotė gali atsirasti greitintuvuose kaip nenumatyta klaida, dėl kurios dalelių fizikos kontekste atsiranda nepageidaujamų energijos nuostolių, arba kaip sąmoningai sukurtas spinduliuotės š altinis daugeliui laboratorinių programų. Elektronai pagreitinami iki didelio greičio keliais žingsniais, kad būtų pasiekta galutinė energija, kuri paprastai yra gigaelektronvoltų diapazone. Elektronus uždaru keliu verčia judėti stiprūs magnetiniai laukai. Ji panaši į radijo anteną, tačiau su tuo skirtumu, kad reliatyvistinis greitis keičia stebimą dažnį dėl Doplerio efekto. Reliatyvistinis Lorenco susitraukimas veikia gigahercų dažnį, taip padaugindamas jį rezonansinėje ertmėje, kuri pagreitina elektronus į rentgeno spindulių diapazoną. Kitas dramatiškas reliatyvumo teorijos poveikis yra tas, kad spinduliuotės modelis yra iškraipytas nuo izotropinio dipolio modelio, kurio tikimasi iš nereliatyvistinės teorijos, iki ypač nukreipto spinduliuotės kūgio. Dėl to sinchrotroninės spinduliuotės difrakcija yra geriausias būdas sukurti rentgeno spindulius. Dėl plokščios pagreičio geometrijos spinduliuotė yra tiesiškai poliarizuota, kai žiūrima į orbitos plokštumą, ir sukuria žiedinę poliarizaciją, kai žiūrima nedideliu kampu šios plokštumos atžvilgiu.
Įvairus naudojimas
Naudojimo pranašumaisinchrotroninę spinduliuotę spektroskopijai ir difrakcijai nuo septintojo ir aštuntojo dešimtmečių diegė vis auganti mokslo bendruomenė. Pradžioje greitintuvai buvo sukurti dalelių fizikai. „Parazitinis režimas“naudojo sinchrotroninę spinduliuotę, kai lenkimo magnetinę spinduliuotę reikėjo išgauti išgręžiant papildomas skylutes pluošto vamzdeliuose. Pirmasis saugojimo žiedas, pristatytas kaip sinchrotroninis šviesos š altinis, buvo Tantalus, kuris pirmą kartą buvo paleistas 1968 m. Greitintuvo spinduliuotei intensyvėjant, o jo pritaikymui vis daug žadant, į esamus žiedus buvo įmontuoti prietaisai, kurie padidino jos intensyvumą. Sinchrotroninės spinduliuotės difrakcijos metodas buvo sukurtas ir optimizuotas nuo pat pradžių, siekiant gauti aukštos kokybės rentgeno spindulius. Svarstomi ketvirtosios kartos š altiniai, apimantys įvairias koncepcijas, skirtas sukurti itin ryškius, impulsinius, laiko struktūrinius rentgeno spindulius, skirtus itin sudėtingiems ir galbūt dar nesukurtiems eksperimentams.
Pirmieji įrenginiai
Iš pradžių šiai spinduliuotei generuoti buvo naudojami lenkimo elektromagnetai greitintuvuose, tačiau kartais buvo naudojami ir kiti specializuoti įtaisai, įterpimo įtaisai, siekiant sukurti stipresnį apšvietimo efektą. Sinchrotroninės spinduliuotės difrakcijos (trečios kartos) metodai dažniausiai priklauso nuo š altinio įrenginių, kur tiesiose saugojimo žiedo dalyse yra periodiškaimagnetinės struktūros (turinčios daug magnetų kintamų N ir S polių pavidalu), dėl kurių elektronai juda sinusiniu arba spiraliniu keliu. Taigi, vietoj vieno lenkimo, daug dešimčių ar šimtų „sūkurių“tiksliai apskaičiuotose padėtyse prideda arba padaugina bendrą spindulio intensyvumą. Šie įtaisai vadinami wiggleriais arba banglentėmis. Pagrindinis skirtumas tarp banguotojo ir wigglerio yra jų magnetinio lauko intensyvumas ir nukrypimo nuo tiesioginio elektronų kelio amplitudė. Visi šie įrenginiai ir mechanizmai dabar saugomi Sinchrotroninės spinduliuotės centre (JAV).
Ištraukimas
Akumuliatoriuje yra skylių, kurios leidžia dalelėms palikti spinduliuotės foną ir sekti spindulio liniją iki eksperimentatoriaus vakuuminės kameros. Daug tokių spindulių gali būti gaunami iš šiuolaikinių trečios kartos sinchrotroninės spinduliuotės prietaisų.
Elektronus galima išskirti iš tikrojo greitintuvo ir saugoti papildomoje itin didelio vakuumo magnetinėje saugykloje, iš kurios juos galima išgauti (ir kur galima atkurti) daugybę kartų. Žiede esantys magnetai taip pat turi pakartotinai suspausti spindulį prieš „Kulono jėgas“(arba, paprasčiau tariant, erdvės krūvius), kurios linkusios sunaikinti elektronų grupes. Krypties keitimas yra pagreičio forma, nes dalelių greitintuve elektronai skleidžia didelės energijos ir didelio pagreičio spinduliuotę. Paprastai sinchrotroninės spinduliuotės ryškumas taip pat priklauso nuo to paties greičio.
