Spectrul radiației sincrotron nu este atât de grozav. Adică poate fi împărțit doar în câteva tipuri. Dacă particula este non-relativista, atunci o astfel de radiație se numește emisie de ciclotron. Dacă, pe de altă parte, particulele sunt de natură relativistă, atunci radiațiile rezultate din interacțiunea lor sunt uneori numite ultrarelativiste. Radiația sincronă poate fi realizată fie artificial (în sincrotroni sau inele de stocare), fie în mod natural datorită mișcării rapide a electronilor prin câmpuri magnetice. Radiația astfel produsă are o polarizare caracteristică, iar frecvențele generate pot varia pe întregul spectru electromagnetic, numită și radiație continuu.
Deschidere
Acest fenomen a fost numit după un generator de sincrotron General Electric construit în 1946. Existența sa a fost anunțată în mai 1947 de oamenii de știință Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir și Herb. Pollock în scrisoarea sa „Radiția de la electroni în sincrotron”. Dar aceasta a fost doar o descoperire teoretică, despre prima observație reală a acestui fenomen veți citi mai jos.
Surse
Când particulele de în altă energie sunt în accelerație, inclusiv electronii forțați să se miște pe o cale curbă de un câmp magnetic, este produsă radiația sincrotron. Aceasta este similară cu o antenă radio, dar cu diferența că teoretic viteza relativistă va modifica frecvența observată datorită efectului Doppler de către coeficientul Lorentz γ. Scurtarea lungimii relativiste lovește apoi frecvența observată de un alt factor γ, crescând astfel frecvența GHz a cavității rezonante care accelerează electronii în domeniul razelor X. Puterea radiată este determinată de formula relativistă Larmor, iar forța asupra electronului radiat este determinată de forța Abraham-Lorentz-Dirac.
Alte funcții
Modelul de radiație poate fi distorsionat dintr-un model de dipol izotrop într-un con de radiație în alt direcționat. Radiația cu sincrotron electronic este cea mai strălucitoare sursă artificială de raze X.
Geometria accelerației plane pare să facă radiația polarizată liniar când este privită în planul orbitei și polarizată circular când este privită la un unghi ușor față de acel plan. Cu toate acestea, amplitudinea și frecvența sunt centrate pe ecliptica polară.
Sursa de radiație sincrotron este, de asemenea, o sursă de radiație electromagnetică (EM), care esteun inel de depozitare conceput pentru scopuri științifice și tehnice. Această radiație este produsă nu numai de inelele de stocare, ci și de alți acceleratori de particule specializați, de obicei electroni care accelerează. Odată ce un fascicul de electroni de în altă energie este generat, acesta este direcționat către componente auxiliare, cum ar fi magneții de îndoire și dispozitivele de inserție (undulatori sau wigglers). Ele furnizează câmpuri magnetice puternice, fascicule perpendiculare, care sunt necesare pentru a converti electronii de în altă energie în fotoni.
Utilizarea radiației sincrotron
Principalele aplicații ale luminii sincrotronului sunt fizica materiei condensate, știința materialelor, biologia și medicina. Majoritatea experimentelor care folosesc lumina sincrotronului sunt legate de studiul structurii materiei de la nivelul sub-nanometru al structurii electronice la nivelul micrometrului și milimetrului, ceea ce este important pentru imagistica medicală. Un exemplu de aplicație industrială practică este producerea de microstructuri folosind procesul LIGA.
Radiția de sincrotron este, de asemenea, generată de obiectele astronomice, de obicei unde electronii relativiști spiralează (și, prin urmare, își schimbă viteza) prin câmpuri magnetice.
Istorie
Această radiație a fost descoperită pentru prima dată într-o rachetă trasă de Messier 87 în 1956 de către Geoffrey R. Burbidge, care a văzut-o ca o confirmare a predicției lui Iosif Shklovsky în 1953, dar a fost prezisă mai devreme de Hannes Alfven și Nikolai Herlofson în 1950. Erupțiile solare accelerează particulelecare emit în acest fel, așa cum a propus R. Giovanolli în 1948 și descris critic de Piddington în 1952.
Spațiu
Găurile negre supermasive sunt propuse pentru a crea radiație sincrotron prin împingerea jeturilor create prin accelerarea gravitațională a ionilor prin regiuni polare „tubulare” supercordate ale câmpurilor magnetice. Astfel de jeturi, cele mai apropiate dintre ele din Messier 87, au fost identificate de telescopul Hubble ca semnale superluminale care se deplasează la o frecvență de 6 × s (de șase ori viteza luminii) din cadrul nostru planetar. Acest fenomen este cauzat de jeturile care călătoresc foarte aproape de viteza luminii și la un unghi foarte mic față de observator. Deoarece jeturile de mare viteză emit lumină în fiecare punct de-a lungul traseului lor, lumina pe care o emit nu se apropie de observator cu mult mai repede decât jetul în sine. Lumina emisă de-a lungul a sute de ani de călătorie ajunge astfel la observator pe o perioadă mult mai scurtă de timp (zece sau douăzeci de ani). Nu există nicio încălcare a teoriei relativității speciale în acest fenomen.
Recent a fost detectată o emisie impulsivă de radiații gamma dintr-o nebuloasă cu o luminozitate de până la ≧25 GeV, probabil din cauza emisiei de sincrotron de către electroni prinși într-un câmp magnetic puternic în jurul pulsarului. O clasă de surse astronomice în care emisia de sincrotron este importantă sunt nebuloasele de vânt pulsar, sau plerionii, dintre care Nebuloasa Crab și pulsarul său asociat sunt arhetipale. Polarizarea în Nebuloasa Crab la energii cuprinse între 0,1 și 1,0 MeV este o radiație tipică de sincrotron.
Pe scurt despre calcul și coliziune
În ecuațiile pe acest subiect se scriu adesea termeni sau valori speciali, simbolizând particulele care alcătuiesc așa-numitul câmp de viteză. Acești termeni reprezintă efectul câmpului static al particulei, care este o funcție a componentei de viteză zero sau constantă a mișcării sale. Dimpotrivă, al doilea termen cade ca reciproca primei puteri a distanței de la sursă, iar unii termeni se numesc câmp de accelerație sau câmp de radiație deoarece sunt componente ale câmpului datorită accelerației sarcinii (modificarea vitezei).
Astfel, puterea radiată este scalată ca o energie a celei de-a patra puteri. Această radiație limitează energia ciocnitorului circular electron-pozitron. De obicei, ciocnitoarele de protoni sunt limitate de câmpul magnetic maxim. Prin urmare, de exemplu, Large Hadron Collider are un centru de energie de masă de 70 de ori mai mare decât orice alt accelerator de particule, chiar dacă masa unui proton este de 2000 de ori mai mare decât masa unui electron.
Terminologie
Diferitele domenii ale științei au adesea moduri diferite de a defini termenii. Din păcate, în domeniul razelor X, mai mulți termeni înseamnă același lucru cu „radiație”. Unii autori folosesc termenul „luminozitate”, care a fost folosit cândva pentru a se referi la luminozitatea fotometrică sau a fost folosit incorect pentrudenumiri de radiație radiometrică. Intensitatea înseamnă densitatea puterii pe unitatea de suprafață, dar pentru sursele de raze X înseamnă de obicei strălucire.
Mecanism de apariție
Radiația sincrotron poate apărea în acceleratoare fie ca o eroare neprevăzută, care provoacă pierderi de energie nedorite în contextul fizicii particulelor, fie ca o sursă de radiație proiectată în mod deliberat pentru numeroase aplicații de laborator. Electronii sunt accelerați la viteze mari în mai mulți pași pentru a ajunge la o energie finală care este de obicei în intervalul gigaelectronvolt. Electronii sunt forțați să se miște pe o cale închisă de câmpurile magnetice puternice. Este similar cu o antenă radio, dar cu diferența că viteza relativistă modifică frecvența observată datorită efectului Doppler. Contracția relativistă a lui Lorentz afectează frecvența gigahertz, multiplicând-o astfel într-o cavitate rezonantă care accelerează electronii în intervalul de raze X. Un alt efect dramatic al relativității este că modelul de radiație este distorsionat de la modelul dipol izotrop așteptat din teoria non-relatistă la un con de radiație extrem de direcționat. Acest lucru face ca difracția radiației sincrotronului să fie cea mai bună modalitate de a crea raze X. Geometria de accelerație plată face ca radiația să se polarizeze liniar atunci când este privită în planul orbitei și creează polarizare circulară când este privită la un unghi ușor față de acest plan.
Utilizări diverse
Beneficiile utilizăriiRadiațiile sincrotron pentru spectroscopie și difracție au fost implementate de o comunitate științifică în continuă creștere începând cu anii 1960 și 1970. La început, acceleratorii au fost creați pentru fizica particulelor. „Modul parazit” folosea radiația sincrotron, unde radiația magnetică de încovoiere trebuia extrasă prin găuri suplimentare în tuburile fasciculului. Primul inel de stocare introdus ca sursă de lumină sincrotron a fost Tantalus, care a fost lansat pentru prima dată în 1968. Pe măsură ce radiația acceleratorului a devenit mai intensă și aplicațiile sale au devenit mai promițătoare, dispozitivele care i-au sporit intensitatea au fost construite în inelele existente. Metoda de difracție a radiației sincrotron a fost dezvoltată și optimizată încă de la început pentru a obține raze X de în altă calitate. Sunt luate în considerare sursele de generația a patra, care vor include diverse concepte pentru crearea de raze X structurale ultra-strălucitoare, pulsate, cronometrate pentru experimente extrem de solicitante și poate încă necreate.
Primele dispozitive
La început, electromagneții de îndoire în acceleratoare au fost folosiți pentru a genera această radiație, dar alte dispozitive specializate, dispozitive de inserție, au fost uneori folosite pentru a crea un efect de iluminare mai puternic. Metodele de difracție a radiației sincrotron (a treia generație) depind de obicei de dispozitivele sursă, unde secțiunile drepte ale inelului de stocare conțin periodicstructuri magnetice (conținând mulți magneți sub formă de poli N și S alternanți) care determină mișcarea electronilor pe o cale sinusoidală sau spirală. Astfel, în loc de o singură îndoire, multe zeci sau sute de „vârtejuri” în poziții precis calculate adaugă sau înmulțesc intensitatea totală a fasciculului. Aceste dispozitive se numesc wigglers sau ondulatoare. Principala diferență dintre un ondulator și un wiggler este intensitatea câmpului lor magnetic și amplitudinea abaterii de la calea directă a electronilor. Toate aceste dispozitive și mecanisme sunt acum stocate la Centrul pentru radiații sincrotron (SUA).
Extractie
Acumulatorul are găuri care permit particulelor să părăsească fundalul de radiație și să urmeze linia fasciculului până la camera cu vid a experimentatorului. Un număr mare de astfel de fascicule pot proveni de la dispozitive moderne de radiație sincrotron de a treia generație.
Electronii pot fi extrași din acceleratorul propriu-zis și stocați într-un depozit magnetic auxiliar cu vid ultra-în alt, de unde pot fi extrași (și de unde pot fi reproduși) de un număr mare de ori. Magneții din inel trebuie, de asemenea, să recomprima în mod repetat fasciculul împotriva „forțelor Coulomb” (sau, mai simplu, sarcinilor spațiale) care tind să distrugă mănunchiurile de electroni. Schimbarea direcției este o formă de accelerație, deoarece electronii emit radiații la energii mari și viteze mari de accelerație într-un accelerator de particule. De regulă, luminozitatea radiației sincrotron depinde și de aceeași viteză.
