Spektrumet til synkrotronstråling er ikke så stort. Det vil si at den bare kan deles inn i noen få typer. Hvis partikkelen er ikke-relativistisk, kalles slik stråling syklotronemisjon. Hvis på den annen side partiklene er relativistiske av natur, kalles strålingene som følge av deres interaksjon noen ganger ultrarelativistiske. Synkron stråling kan oppnås enten kunstig (i synkrotroner eller lagringsringer) eller naturlig på grunn av raske elektroner som beveger seg gjennom magnetiske felt. Strålingen som produseres på denne måten har en karakteristisk polarisering, og frekvensene som genereres kan variere over hele det elektromagnetiske spekteret, også k alt kontinuumstråling.
Åpning
Dette fenomenet ble oppk alt etter en General Electric synkrotrongenerator bygget i 1946. Dens eksistens ble kunngjort i mai 1947 av forskerne Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir og HerbPollock i sitt brev "Stråling fra elektroner i synkrotronen". Men dette var bare en teoretisk oppdagelse, du vil lese om den første virkelige observasjonen av dette fenomenet nedenfor.
Kilder
Når høyenergipartikler er i akselerasjon, inkludert elektroner som tvinges til å bevege seg langs en buet bane av et magnetfelt, produseres synkrotronstråling. Dette ligner på en radioantenne, men med den forskjellen at teoretisk sett vil den relativistiske hastigheten endre den observerte frekvensen på grunn av Doppler-effekten med Lorentz-koeffisienten γ. Forkortelsen av den relativistiske lengden treffer deretter frekvensen observert av en annen faktor γ, og øker dermed frekvensen GHz til resonanshulen som akselererer elektronene i røntgenområdet. Den utstrålte kraften bestemmes av den relativistiske Larmor-formelen, og kraften på det utstrålte elektronet bestemmes av kraften Abraham-Lorentz-Dirac.
Andre funksjoner
Strålingsmønsteret kan forvrenges fra et isotropt dipolmønster til en sterkt rettet strålingskjegle. Elektronsynkrotronstråling er den lyseste kunstige kilden til røntgenstråler.
Geometrien til plan akselerasjon ser ut til å gjøre strålingen lineært polarisert når den sees i banens plan og sirkulært polarisert når den sees i en liten vinkel til det planet. Amplitude og frekvens er imidlertid sentrert på den polare ekliptikken.
Kilden til synkrotronstråling er også en kilde til elektromagnetisk stråling (EM), som eren oppbevaringsring designet for vitenskapelige og tekniske formål. Denne strålingen produseres ikke bare av lagringsringer, men også av andre spesialiserte partikkelakseleratorer, vanligvis akselererende elektroner. Når en elektronstråle med høy energi er generert, blir den rettet mot hjelpekomponenter som bøyemagneter og innsettingsenheter (undulatorer eller wigglere). De gir sterke magnetiske felt, vinkelrette stråler, som er nødvendige for å konvertere høyenergielektroner til fotoner.
Bruk av synkrotronstråling
De viktigste bruksområdene for synkrotronlys er fysikk av kondensert materie, materialvitenskap, biologi og medisin. De fleste eksperimentene med synkrotronlys er relatert til studiet av strukturen til materie fra sub-nanometernivået til elektronisk struktur til nivået på mikrometer og millimeter, som er viktig for medisinsk bildebehandling. Et eksempel på en praktisk industriell anvendelse er produksjon av mikrostrukturer ved hjelp av LIGA-prosessen.
Synkrotronstråling genereres også av astronomiske objekter, vanligvis der relativistiske elektroner spiraler (og derfor endrer hastighet) gjennom magnetiske felt.
Historie
Denne strålingen ble først oppdaget i en rakett avfyrt av Messier 87 i 1956 av Geoffrey R. Burbidge, som så det som en bekreftelse på Iosif Shklovskys spådom i 1953, men den ble tidligere spådd av Hannes Alfven og Nikolai Herlofson i 1950. Solflammer akselererer partiklersom avgir på denne måten, som foreslått av R. Giovanoli i 1948 og kritisk beskrevet av Piddington i 1952.
Space
Supermassive sorte hull er foreslått for å skape synkrotronstråling ved å skyve jetstråler skapt av gravitasjonsakselererende ioner gjennom supercordede "rørformede" polare områder av magnetiske felt. Slike jetfly, de nærmeste av dem i Messier 87, ble identifisert av Hubble-teleskopet som superluminale signaler som beveget seg med en frekvens på 6 × s (seks ganger lysets hastighet) fra planeten vår. Dette fenomenet er forårsaket av jetflyene som beveger seg veldig nær lysets hastighet og i en veldig liten vinkel til observatøren. Fordi høyhastighets jetflyene sender ut lys på hvert punkt langs veien, nærmer ikke lyset de sender ut observatøren mye raskere enn selve jetflyet. Lys som sendes ut over hundrevis av års reise når dermed observatøren over en mye kortere tidsperiode (ti eller tjue år). Det er ingen brudd på den spesielle relativitetsteorien i dette fenomenet.
En impulsiv emisjon av gammastråling fra en tåke med en lysstyrke på opptil ≧25 GeV har nylig blitt oppdaget, sannsynligvis på grunn av synkrotronemisjon fra elektroner fanget i et sterkt magnetfelt rundt pulsaren. En klasse av astronomiske kilder der synkrotronutslipp er viktig er pulsarvindtåker, eller plerioner, hvorav Krabbetåken og dens tilhørende pulsar er arketypiske. Polarisering i krabbetåken ved energier mellom 0,1 og 1,0 MeV er typisk synkrotronstråling.
Kort om beregning og kollidere
I ligninger om dette emnet er det ofte skrevet spesielle termer eller verdier som symboliserer partiklene som utgjør det såk alte hastighetsfeltet. Disse begrepene representerer effekten av partikkelens statiske felt, som er en funksjon av null- eller konstanthastighetskomponenten av dens bevegelse. Tvert imot faller det andre leddet av som den gjensidige av den første potensen av avstanden fra kilden, og noen termer kalles akselerasjonsfeltet eller strålingsfeltet fordi de er komponenter i feltet på grunn av ladningens akselerasjon (endring i hastighet).
Den utstrålte kraften skaleres som en energi av fjerde potens. Denne strålingen begrenser energien til elektron-positron-sirkulær kollideren. Vanligvis er protonkollidere i stedet begrenset av det maksimale magnetfeltet. Derfor har for eksempel Large Hadron Collider et massesenter for energi som er 70 ganger høyere enn noen annen partikkelakselerator, selv om massen til et proton er 2000 ganger den til et elektron.
Terminologi
Ulike vitenskapsfelt har ofte ulike måter å definere begreper på. Dessverre, innen røntgen, betyr flere begreper det samme som "stråling". Noen forfattere bruker begrepet "lysstyrke", som en gang ble brukt for å referere til fotometrisk lysstyrke, eller ble brukt feil forbetegnelser for radiometrisk stråling. Intensitet betyr effekttetthet per arealenhet, men for røntgenkilder betyr det vanligvis glans.
Forekomstmekanisme
Synkrotronstråling kan oppstå i akseleratorer enten som en uforutsett feil, forårsaker uønsket energitap i sammenheng med partikkelfysikk, eller som en bevisst designet strålingskilde for en rekke laboratorieapplikasjoner. Elektronene akselereres til høye hastigheter i flere trinn for å nå en endelig energi som vanligvis er i gigaelektronvoltområdet. Elektroner blir tvunget til å bevege seg i en lukket bane av sterke magnetiske felt. Den ligner på en radioantenne, men med den forskjellen at den relativistiske hastigheten endrer den observerte frekvensen på grunn av Doppler-effekten. Relativistisk Lorentz-sammentrekning påvirker gigahertz-frekvensen, og multipliserer den derved i et resonanshulrom som akselererer elektroner inn i røntgenområdet. En annen dramatisk effekt av relativitetsteorien er at strålingsmønsteret er forvrengt fra det isotropiske dipolmønsteret som forventes fra ikke-relativistisk teori til en ekstremt rettet strålingskjegle. Dette gjør synkrotronstrålingsdiffraksjon til den beste måten å lage røntgenstråler på. Den flate akselerasjonsgeometrien gjør strålingen lineært polarisert når den sees i banens plan og skaper sirkulær polarisering når den ses i en liten vinkel til dette planet.
Ulike bruk
Fordeler med å brukesynkrotronstråling for spektroskopi og diffraksjon har blitt implementert av et stadig voksende vitenskapelig samfunn siden 1960- og 1970-tallet. I begynnelsen ble det laget akseleratorer for partikkelfysikk. Den "parasittiske modusen" brukte synkrotronstråling, der den bøyende magnetiske strålingen måtte trekkes ut ved å bore ytterligere hull i strålerørene. Den første lagringsringen introdusert som en synkrotronlyskilde var Tantalus, som først ble lansert i 1968. Etter hvert som akseleratorstrålingen ble mer intens og dens anvendelser ble mer lovende, ble enheter som forbedret intensiteten bygget inn i eksisterende ringer. Synkrotronstrålingsdiffraksjonsmetoden ble utviklet og optimert helt fra starten for å oppnå røntgenstråler av høy kvalitet. Fjerde generasjons kilder vurderes, som vil inkludere ulike konsepter for å lage ultra-strålende, pulserte, tidsbestemte strukturelle røntgenstråler for ekstremt krevende og kanskje ennå ikke opprettede eksperimenter.
Første enheter
Til å begynne med ble bøyende elektromagneter i akseleratorer brukt for å generere denne strålingen, men andre spesialiserte enheter, innsettingsenheter, ble noen ganger brukt for å skape en sterkere lyseffekt. Metoder for synkrotronstrålingsdiffraksjon (tredje generasjon) avhenger vanligvis av kildeenheter, der de rette delene av lagringsringen inneholder periodiskemagnetiske strukturer (som inneholder mange magneter i form av vekslende N- og S-poler) som får elektroner til å bevege seg i en sinusformet eller spiralformet bane. Således, i stedet for en enkelt bøy, vil mange titalls eller hundrevis av "svirvler" i nøyaktig beregnede posisjoner addere eller multiplisere den totale intensiteten til strålen. Disse enhetene kalles wigglers eller undulatorer. Hovedforskjellen mellom en undulator og en wiggler er intensiteten til deres magnetiske felt og amplituden til avviket fra den direkte banen til elektronene. Alle disse enhetene og mekanismene er nå lagret hos Center for Synchrotron Radiation (USA).
Extraction
Akkumulatoren har hull som gjør at partikler kan forlate strålingsbakgrunnen og følge linjen til strålen til eksperimentatorens vakuumkammer. Et stort antall slike stråler kan komme fra moderne tredjegenerasjons synkrotronstrålingsenheter.
Elektroner kan trekkes ut fra selve akseleratoren og lagres i et magnetisk hjelpelager med ultrahøyvakuum, hvorfra de kan trekkes ut (og hvor de kan reproduseres) et stort antall ganger. Magnetene i ringen må også gjentatte ganger komprimere strålen mot "Coulomb-kreftene" (eller, rett og slett, romladninger) som har en tendens til å ødelegge elektronbuntene. Retningsendring er en form for akselerasjon, fordi elektroner sender ut stråling ved høye energier og høye akselerasjonshastigheter i en partikkelakselerator. Som regel avhenger lysstyrken til synkrotronstråling også av samme hastighet.
