Spekter sinhrotronskega sevanja ni tako velik. To pomeni, da ga lahko razdelimo le na nekaj vrst. Če je delec nerelativističen, se takšno sevanje imenuje ciklotronska emisija. Če so po drugi strani delci relativistične narave, potem sevanja, ki so posledica njihove interakcije, včasih imenujemo ultrarelativistična. Sinhrono sevanje je mogoče doseči bodisi umetno (v sinhrotronih ali shranjevalnih obročkih) bodisi naravno zaradi hitrih elektronov, ki se premikajo skozi magnetna polja. Tako proizvedeno sevanje ima značilno polarizacijo, ustvarjene frekvence pa se lahko razlikujejo po celotnem elektromagnetnem spektru, imenovanem tudi kontinuumno sevanje.
Odprtje
Ta pojav je dobil ime po sinhrotronskem generatorju General Electric, zgrajenem leta 1946. Njegov obstoj so maja 1947 objavili znanstveniki Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir in HerbPollock v svojem pismu "Sevanje elektronov v sinhrotronu". Toda to je bilo le teoretično odkritje, o prvem resničnem opazovanju tega pojava boste prebrali spodaj.
Viri
Ko so visokoenergetski delci v pospeševanju, vključno z elektroni, ki jih magnetno polje prisili, da se premikajo po ukrivljeni poti, nastane sinhrotronsko sevanje. To je podobno radijski anteni, vendar s to razliko, da bo teoretično relativistična hitrost spremenila opazovano frekvenco zaradi Dopplerjevega učinka za Lorentzov koeficient γ. Skrajšanje relativistične dolžine nato doseže frekvenco, ki jo opazi drug faktor γ, s čimer se poveča frekvenca GHz resonančne votline, ki pospešuje elektrone v območju rentgenskih žarkov. Moč sevanja je določena z relativistično Larmorjevo formulo, sila na sevanega elektrona pa je določena z Abraham-Lorentz-Diracovo silo.
Druge funkcije
Vzorec sevanja se lahko popači iz izotropnega dipolnega vzorca v visoko usmerjen stožec sevanja. Elektronsko sinhrotronsko sevanje je najsvetlejši umetni vir rentgenskih žarkov.
Zdi se, da je zaradi geometrije ravninskega pospeška sevanje linearno polarizirano, če ga gledamo v ravnini orbite, in krožno polarizirano, če ga gledamo pod rahlim kotom na to ravnino. Amplituda in frekvenca pa sta osredotočeni na polarni ekliptiki.
Vir sinhrotronskega sevanja je tudi vir elektromagnetnega sevanja (EM), ki jeshranjevalni obroč, zasnovan za znanstvene in tehnične namene. To sevanje ne proizvajajo samo shranjevalni obroči, temveč tudi drugi specializirani pospeševalniki delcev, ki običajno pospešujejo elektrone. Ko se generira visokoenergetski elektronski žarek, se ta usmeri na pomožne komponente, kot so upogibni magneti in naprave za vstavljanje (undulatorji ali wigglerji). Zagotavljajo močna magnetna polja, pravokotne žarke, ki so potrebni za pretvorbo visokoenergetskih elektronov v fotone.
Uporaba sinhrotronskega sevanja
Glavne aplikacije sinhrotronske svetlobe so fizika kondenzirane snovi, znanost o materialih, biologija in medicina. Večina poskusov z uporabo sinhrotronske svetlobe je povezanih s preučevanjem strukture snovi od podnanometrske ravni elektronske strukture do ravni mikrometra in milimetra, kar je pomembno za medicinsko slikanje. Primer praktične industrijske uporabe je proizvodnja mikrostruktur po postopku LIGA.
Sinhrotronsko sevanje ustvarjajo tudi astronomski objekti, običajno tam, kjer se relativistični elektroni vrtijo (in zato spreminjajo hitrost) skozi magnetna polja.
Zgodovina
To sevanje je v raketi, ki jo je izstrelil Messier 87 leta 1956, prvič odkril Geoffrey R. Burbidge, ki je v njem videl potrditev napovedi Iosifa Shklovskega leta 1953, prej pa sta ga napovedala Hannes Alfven in Nikolai Herlofson v 1950. Sončni izbruhi pospešujejo delceki oddajajo na ta način, kot je predlagal R. Giovanolli leta 1948 in kritično opisal Piddington leta 1952.
preslednica
Supermasivne črne luknje naj bi ustvarile sinhrotronsko sevanje s potiskanjem curkov, ki jih ustvarjajo gravitacijsko pospeševalni ioni, skozi superžična "cevna" polarna področja magnetnih polj. Takšne curke, najbližje med njimi v Messierju 87, je teleskop Hubble identificiral kot nadsvetlobne signale, ki se premikajo s frekvenco 6 × s (šestkratno hitrost svetlobe) iz našega planetarnega okvirja. Ta pojav povzročajo curki, ki potujejo zelo blizu svetlobni hitrosti in pod zelo majhnim kotom do opazovalca. Ker hitri curki oddajajo svetlobo na vsaki točki svoje poti, se svetloba, ki jo oddajajo, opazovalcu ne približa veliko hitreje kot curek sam. Svetloba, oddana v več sto letih potovanja, tako doseže opazovalca v precej krajšem časovnem obdobju (deset ali dvajset let). V tem pojavu ni kršitve posebne teorije relativnosti.
Pred kratkim je bila odkrita impulzivna emisija gama sevanja iz meglice s svetlostjo do ≧25 GeV, verjetno zaradi sinhrotronske emisije elektronov, ujetih v močno magnetno polje okoli pulzarja. Razred astronomskih virov, kjer je pomembna sinhrotronska emisija, so meglice vetra pulsarjev ali plerioni, katerih arhetipska sta Rakova meglica in z njo povezani pulsar. Polarizacija v Rakovi meglici pri energijah med 0,1 in 1,0 MeV je tipično sinhrotronsko sevanje.
Na kratko o izračunu in trkalnikih
V enačbah na to temo so pogosto zapisani posebni izrazi ali vrednosti, ki simbolizirajo delce, ki sestavljajo tako imenovano polje hitrosti. Ti izrazi predstavljajo učinek statičnega polja delca, ki je funkcija ničelne ali konstantne komponente hitrosti njegovega gibanja. Nasprotno, drugi člen pade kot recipročna vrednost prve stopnje oddaljenosti od vira, nekateri izrazi pa se imenujejo polje pospeška ali sevalno polje, ker so komponente polja zaradi pospeška naboja (sprememba hitrosti).
Tako je moč sevanja skalirana kot energija četrte moči. To sevanje omejuje energijo krožnega trkalnika elektron-pozitron. Običajno so protonski trkalniki namesto tega omejeni z največjim magnetnim poljem. Zato ima na primer veliki hadronski trkalnik masno središče energije 70-krat višje od katerega koli drugega pospeševalnika delcev, tudi če je masa protona 2000-krat večja od mase elektrona.
Terminologija
Različna področja znanosti imajo pogosto različne načine definiranja izrazov. Žal pa na področju rentgenskih žarkov več izrazov pomeni isto kot »sevanje«. Nekateri avtorji uporabljajo izraz "svetlost", ki se je nekoč uporabljal za označevanje fotometrične svetlosti ali pa je bil napačno uporabljen zaoznake radiometričnega sevanja. Intenzivnost pomeni gostoto moči na enoto površine, vendar za vire rentgenskih žarkov običajno pomeni sijaj.
Mehanizem nastanka
Sinhrotronsko sevanje se lahko v pospeševalnikih pojavi bodisi kot nepredvidena napaka, ki povzroča neželene izgube energije v okviru fizike delcev, bodisi kot namerno zasnovan vir sevanja za številne laboratorijske aplikacije. Elektroni se pospešujejo do visokih hitrosti v več korakih, da dosežejo končno energijo, ki je običajno v območju gigaelektronvoltov. Močna magnetna polja prisilijo elektrone, da se premikajo po zaprti poti. Podobna je radijski anteni, vendar s to razliko, da relativistična hitrost spreminja opazovano frekvenco zaradi Dopplerjevega učinka. Relativistična Lorentzova kontrakcija vpliva na frekvenco gigaherca in jo s tem pomnoži v resonančni votlini, ki pospešuje elektrone v rentgensko območje. Drug dramatičen učinek relativnosti je, da je vzorec sevanja popačen od izotropnega dipolnega vzorca, ki ga pričakuje nerelativistična teorija, do izjemno usmerjenega sevalnega stožca. Zaradi tega je difrakcija sinhrotronskega sevanja najboljši način za ustvarjanje rentgenskih žarkov. Ravna geometrija pospeška naredi sevanje linearno polarizirano, če ga gledamo v ravnini orbite, in ustvari krožno polarizacijo, če ga gledamo pod rahlim kotom na to ravnino.
Različna uporaba
Prednosti uporabesinhrotronsko sevanje za spektroskopijo in difrakcijo izvaja vedno večja znanstvena skupnost od šestdesetih in sedemdesetih let prejšnjega stoletja. Na začetku so bili pospeševalniki ustvarjeni za fiziko delcev. "Parazitski način" je uporabljal sinhrotronsko sevanje, kjer je bilo treba upogibno magnetno sevanje ekstrahirati z vrtanjem dodatnih lukenj v žarkovnih ceveh. Prvi shranjevalni obroč, predstavljen kot sinhrotronski svetlobni vir, je bil Tantalus, ki je bil prvič lansiran leta 1968. Ko je sevanje pospeševalnika postalo intenzivnejše in njegove aplikacije postale bolj obetavne, so bile naprave, ki so povečale njegovo intenzivnost, vgrajene v obstoječe obroče. Metoda difrakcije sinhrotronskega sevanja je bila že od samega začetka razvita in optimizirana za pridobivanje visokokakovostnih rentgenskih žarkov. Razmišljajo se o virih četrte generacije, ki bodo vključevali različne koncepte za ustvarjanje ultra briljantnih, impulznih, časovno omejenih strukturnih rentgenskih žarkov za izjemno zahtevne in morda še neustvarjene poskuse.
Prve naprave
Sprva so bili za ustvarjanje tega sevanja uporabljeni upogibni elektromagneti v pospeševalnikih, včasih pa so bile za ustvarjanje močnejšega svetlobnega učinka uporabljene tudi druge specializirane naprave, naprave za vstavljanje. Metode difrakcije sinhrotronskega sevanja (tretja generacija) so običajno odvisne od izvornih naprav, kjer ravni odseki hranilnega obroča vsebujejo periodičnemagnetne strukture (vsebujejo veliko magnetov v obliki izmeničnih N in S polov), ki povzročajo gibanje elektronov po sinusni ali spiralni poti. Tako namesto enega samega ovinka več deset ali sto "vrtincev" v natančno izračunanih položajih doda ali pomnoži celotno intenzivnost žarka. Te naprave se imenujejo wigglerji ali ondulatorji. Glavna razlika med ondulatorjem in wigglerjem je intenzivnost njunega magnetnega polja in amplituda odstopanja od neposredne poti elektronov. Vse te naprave in mehanizmi so zdaj shranjeni v Centru za sinhrotronsko sevanje (ZDA).
Izvleček
Akumulator ima luknje, ki omogočajo delcem, da zapustijo sevalno ozadje in sledijo liniji žarka do vakuumske komore eksperimentatorja. Veliko število takšnih žarkov lahko prihaja iz sodobnih naprav za sinhrotronsko sevanje tretje generacije.
Elektrone je mogoče ekstrahirati iz dejanskega pospeševalnika in shraniti v pomožni ultra-visok vakuumski magnetni shrambo, od koder jih je mogoče izvleči (in kjer jih je mogoče reproducirati) velikokrat. Magneti v obroču morajo tudi večkrat ponovno stisniti žarek proti "Coulombovim silam" (ali, bolj preprosto, vesoljskim nabojem), ki nagibajo k uničevanju elektronskih snopov. Sprememba smeri je oblika pospeška, ker elektroni oddajajo sevanje pri visokih energijah in visokih hitrostih pospeška v pospeševalniku delcev. Praviloma je od enake hitrosti odvisna tudi svetlost sinhrotronskega sevanja.
