Το φάσμα της ακτινοβολίας σύγχροτρον δεν είναι τόσο μεγάλο. Δηλαδή, μπορεί να χωριστεί σε λίγους μόνο τύπους. Εάν το σωματίδιο είναι μη σχετικιστικό, τότε αυτή η ακτινοβολία ονομάζεται εκπομπή κυκλοτρονίων. Εάν, από την άλλη πλευρά, τα σωματίδια είναι σχετικιστικά, τότε οι ακτινοβολίες που προκύπτουν από την αλληλεπίδρασή τους ονομάζονται μερικές φορές υπερσχετιστικές. Η σύγχρονη ακτινοβολία μπορεί να επιτευχθεί είτε τεχνητά (σε σύγχροτρα ή δακτυλίους αποθήκευσης) είτε φυσικά λόγω των γρήγορων ηλεκτρονίων που κινούνται μέσα από μαγνητικά πεδία. Η ακτινοβολία που παράγεται με αυτόν τον τρόπο έχει μια χαρακτηριστική πόλωση και οι παραγόμενες συχνότητες μπορεί να ποικίλλουν σε ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, που ονομάζεται επίσης ακτινοβολία συνεχούς ροής.
Άνοιγμα
Αυτό το φαινόμενο πήρε το όνομά του από μια γεννήτρια σύγχροτρον της General Electric που κατασκευάστηκε το 1946. Η ύπαρξή του ανακοινώθηκε τον Μάιο του 1947 από τους επιστήμονες Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir και Herb. Ο Pollock στην επιστολή του «Radiation from electrons in the synchrotron». Αλλά αυτή ήταν μόνο μια θεωρητική ανακάλυψη, θα διαβάσετε για την πρώτη πραγματική παρατήρηση αυτού του φαινομένου παρακάτω.
Πηγές
Όταν τα σωματίδια υψηλής ενέργειας βρίσκονται σε επιτάχυνση, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων που αναγκάζονται να κινηθούν κατά μήκος μιας καμπύλης διαδρομής από ένα μαγνητικό πεδίο, παράγεται ακτινοβολία σύγχροτρον. Αυτό είναι παρόμοιο με μια κεραία ραδιοφώνου, αλλά με τη διαφορά ότι θεωρητικά η σχετικιστική ταχύτητα θα αλλάξει την παρατηρούμενη συχνότητα λόγω του φαινομένου Doppler από τον συντελεστή Lorentz γ. Η συντόμευση του σχετικιστικού μήκους χτυπά στη συνέχεια τη συχνότητα που παρατηρείται από έναν άλλο παράγοντα γ, αυξάνοντας έτσι τη συχνότητα GHz της κοιλότητας συντονισμού που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια στην περιοχή των ακτίνων Χ. Η ακτινοβολούμενη ισχύς προσδιορίζεται από τον σχετικιστικό τύπο Larmor και η δύναμη στο ακτινοβολούμενο ηλεκτρόνιο προσδιορίζεται από τη δύναμη Abraham-Lorentz-Dirac.
Άλλες δυνατότητες
Το μοτίβο ακτινοβολίας μπορεί να παραμορφωθεί από ένα μοτίβο ισοτροπικού διπόλου σε έναν εξαιρετικά κατευθυνόμενο κώνο ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία σύγχροτρον ηλεκτρονίων είναι η φωτεινότερη τεχνητή πηγή ακτίνων Χ.
Η γεωμετρία της επίπεδης επιτάχυνσης φαίνεται να κάνει την ακτινοβολία γραμμικά πολωμένη όταν παρατηρείται στο επίπεδο της τροχιάς και κυκλικά πολωμένη όταν παρατηρείται σε μικρή γωνία προς αυτό το επίπεδο. Το πλάτος και η συχνότητα, ωστόσο, επικεντρώνονται στην πολική εκλειπτική.
Η πηγή της ακτινοβολίας σύγχροτρον είναι επίσης μια πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (EM), η οποία είναιένα δακτύλιο αποθήκευσης σχεδιασμένο για επιστημονικούς και τεχνικούς σκοπούς. Αυτή η ακτινοβολία παράγεται όχι μόνο από δακτυλίους αποθήκευσης, αλλά και από άλλους εξειδικευμένους επιταχυντές σωματιδίων, συνήθως επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια. Μόλις δημιουργηθεί μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, κατευθύνεται σε βοηθητικά εξαρτήματα όπως μαγνήτες κάμψης και συσκευές εισαγωγής (κυματιστές ή κουνητές). Παρέχουν ισχυρά μαγνητικά πεδία, κάθετες δέσμες, που είναι απαραίτητες για τη μετατροπή των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας σε φωτόνια.
Χρήση ακτινοβολίας σύγχροτρον
Οι κύριες εφαρμογές του φωτός σύγχροτρον είναι η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, η επιστήμη των υλικών, η βιολογία και η ιατρική. Τα περισσότερα από τα πειράματα που χρησιμοποιούν φως σύγχροτρον σχετίζονται με τη μελέτη της δομής της ύλης από το επίπεδο υπονανομέτρων της ηλεκτρονικής δομής έως το επίπεδο του μικρομέτρου και του χιλιοστού, που είναι σημαντικά για την ιατρική απεικόνιση. Ένα παράδειγμα πρακτικής βιομηχανικής εφαρμογής είναι η παραγωγή μικροδομών με τη χρήση της διαδικασίας LIGA.
Η ακτινοβολία σύγχροτρον παράγεται επίσης από αστρονομικά αντικείμενα, συνήθως όπου τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια σπειροειδώς (και επομένως αλλάζουν ταχύτητα) μέσω μαγνητικών πεδίων.
Ιστορία
Αυτή η ακτινοβολία ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά σε έναν πύραυλο που εκτοξεύτηκε από τον Messier 87 το 1956 από τον Geoffrey R. Burbidge, ο οποίος την είδε ως επιβεβαίωση της πρόβλεψης του Iosif Shklovsky το 1953, αλλά είχε προβλεφθεί νωρίτερα από τους Hannes Alfven και Nikolai Herlofson στο 1950. Οι ηλιακές εκλάμψεις επιταχύνουν τα σωματίδιαπου εκπέμπουν με αυτόν τον τρόπο, όπως προτάθηκε από τον R. Giovanolli το 1948 και κριτικά περιέγραψε ο Piddington το 1952.
Space
Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες προτείνονται για τη δημιουργία ακτινοβολίας σύγχροτρον ωθώντας πίδακες που δημιουργούνται από βαρυτικά επιταχυνόμενα ιόντα μέσω υπερκορυφωμένων «σωληνωτών» πολικών περιοχών μαγνητικών πεδίων. Τέτοιοι πίδακες, οι πλησιέστεροι από αυτούς στο Μεσιέ 87, αναγνωρίστηκαν από το τηλεσκόπιο Hubble ως υπερφωτιστικά σήματα που κινούνται με συχνότητα 6 × s (έξι φορές την ταχύτητα του φωτός) από το πλανητικό μας πλαίσιο. Αυτό το φαινόμενο προκαλείται από τους πίδακες που ταξιδεύουν πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός και σε πολύ μικρή γωνία προς τον παρατηρητή. Επειδή οι πίδακες υψηλής ταχύτητας εκπέμπουν φως σε κάθε σημείο της διαδρομής τους, το φως που εκπέμπουν δεν πλησιάζει τον παρατηρητή πολύ πιο γρήγορα από τον ίδιο τον πίδακα. Το φως που εκπέμπεται κατά τη διάρκεια εκατοντάδων ετών ταξιδιού φτάνει έτσι στον παρατηρητή σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα (δέκα ή είκοσι χρόνια). Δεν υπάρχει παραβίαση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας σε αυτό το φαινόμενο.
Μια παρορμητική εκπομπή ακτινοβολίας γάμμα από ένα νεφέλωμα με φωτεινότητα έως και ≧25 GeV έχει πρόσφατα ανιχνευθεί, πιθανώς λόγω εκπομπής σύγχροτρον από ηλεκτρόνια παγιδευμένα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο γύρω από το πάλσαρ. Μια κατηγορία αστρονομικών πηγών όπου η εκπομπή σύγχροτρον είναι σημαντική είναι τα νεφελώματα του ανέμου πάλσαρ, ή πλήμνες, από τα οποία το Νεφέλωμα του Καβουριού και το σχετικό πάλσαρ είναι αρχετυπικό. Η πόλωση στο νεφέλωμα του καβουριού σε ενέργειες μεταξύ 0,1 και 1,0 MeV είναι τυπική ακτινοβολία σύγχροτρον.
Συνοπτικά σχετικά με τον υπολογισμό και τους επιταχυντές
Σε εξισώσεις σχετικά με αυτό το θέμα, συχνά γράφονται ειδικοί όροι ή τιμές, που συμβολίζουν τα σωματίδια που αποτελούν το λεγόμενο πεδίο ταχύτητας. Αυτοί οι όροι αντιπροσωπεύουν την επίδραση του στατικού πεδίου του σωματιδίου, το οποίο είναι συνάρτηση της συνιστώσας μηδενικής ή σταθερής ταχύτητας της κίνησής του. Αντίθετα, ο δεύτερος όρος πέφτει ως το αντίστροφο της πρώτης ισχύος της απόστασης από την πηγή, και ορισμένοι όροι ονομάζονται πεδίο επιτάχυνσης ή πεδίο ακτινοβολίας επειδή είναι συστατικά του πεδίου λόγω της επιτάχυνσης του φορτίου (αλλαγή στην ταχύτητα).
Έτσι, η ακτινοβολούμενη ισχύς κλιμακώνεται ως ενέργεια της τέταρτης ισχύος. Αυτή η ακτινοβολία περιορίζει την ενέργεια του κυκλικού επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Τυπικά, οι επιταχυντές πρωτονίων περιορίζονται από το μέγιστο μαγνητικό πεδίο. Επομένως, για παράδειγμα, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων έχει κέντρο μάζας ενέργειας 70 φορές υψηλότερο από οποιονδήποτε άλλο επιταχυντή σωματιδίων, ακόμα κι αν η μάζα ενός πρωτονίου είναι 2000 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός ηλεκτρονίου.
Ορολογία
Διαφορετικοί τομείς της επιστήμης έχουν συχνά διαφορετικούς τρόπους ορισμού των όρων. Δυστυχώς, στον τομέα των ακτίνων Χ, αρκετοί όροι σημαίνουν το ίδιο πράγμα με την «ακτινοβολία». Μερικοί συγγραφείς χρησιμοποιούν τον όρο "φωτεινότητα", ο οποίος χρησιμοποιήθηκε κάποτε για να αναφερθεί στη φωτομετρική φωτεινότητα ή χρησιμοποιήθηκε λανθασμένα γιαονομασίες ραδιομετρικής ακτινοβολίας. Ένταση σημαίνει πυκνότητα ισχύος ανά μονάδα επιφάνειας, αλλά για πηγές ακτίνων Χ σημαίνει συνήθως λαμπρότητα.
Μηχανισμός εμφάνισης
Η ακτινοβολία σύγχροτρον μπορεί να συμβεί σε επιταχυντές είτε ως απρόβλεπτο σφάλμα, προκαλώντας ανεπιθύμητες απώλειες ενέργειας στο πλαίσιο της σωματιδιακής φυσικής είτε ως σκόπιμα σχεδιασμένη πηγή ακτινοβολίας για πολλές εργαστηριακές εφαρμογές. Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται σε υψηλές ταχύτητες σε πολλά βήματα για να φτάσουν σε μια τελική ενέργεια που είναι συνήθως στην περιοχή των γιγαηλεκτρονβολτ. Τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινούνται σε κλειστή διαδρομή από ισχυρά μαγνητικά πεδία. Είναι παρόμοιο με μια κεραία ραδιοφώνου, αλλά με τη διαφορά ότι η σχετικιστική ταχύτητα αλλάζει την παρατηρούμενη συχνότητα λόγω του φαινομένου Doppler. Η σχετικιστική συστολή Lorentz επηρεάζει τη συχνότητα των gigahertz, πολλαπλασιάζοντάς την έτσι σε μια κοιλότητα συντονισμού που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια στην περιοχή των ακτίνων Χ. Μια άλλη δραματική επίδραση της σχετικότητας είναι ότι το μοτίβο ακτινοβολίας παραμορφώνεται από το ισότροπο δίπολο που αναμένεται από τη μη σχετικιστική θεωρία σε έναν εξαιρετικά κατευθυνόμενο κώνο ακτινοβολίας. Αυτό καθιστά την περίθλαση της ακτινοβολίας σύγχροτρον τον καλύτερο τρόπο δημιουργίας ακτίνων Χ. Η επίπεδη γεωμετρία επιτάχυνσης καθιστά την ακτινοβολία γραμμικά πολωμένη όταν παρατηρείται στο επίπεδο της τροχιάς και δημιουργεί κυκλική πόλωση όταν παρατηρείται σε μικρή γωνία ως προς αυτό το επίπεδο.
Διάφορη χρήση
Οφέλη από τη χρήσηΗ ακτινοβολία συγχρονών για φασματοσκοπία και περίθλαση έχει εφαρμοστεί από μια συνεχώς αυξανόμενη επιστημονική κοινότητα από τις δεκαετίες του 1960 και του 1970. Στην αρχή, δημιουργήθηκαν επιταχυντές για τη σωματιδιακή φυσική. Ο «παρασιτικός τρόπος» χρησιμοποιούσε ακτινοβολία σύγχροτρον, όπου η μαγνητική ακτινοβολία κάμψης έπρεπε να εξαχθεί με διάνοιξη πρόσθετων οπών στους σωλήνες δέσμης. Ο πρώτος δακτύλιος αποθήκευσης που εισήχθη ως πηγή φωτός σύγχροτρον ήταν ο Tantalus, ο οποίος κυκλοφόρησε για πρώτη φορά το 1968. Καθώς η ακτινοβολία του επιταχυντή γινόταν πιο έντονη και οι εφαρμογές της έγιναν πιο ελπιδοφόρες, συσκευές που ενίσχυαν την έντασή της ενσωματώθηκαν σε υπάρχοντες δακτυλίους. Η μέθοδος περίθλασης ακτινοβολίας σύγχροτρον αναπτύχθηκε και βελτιστοποιήθηκε από την αρχή για τη λήψη ακτίνων Χ υψηλής ποιότητας. Εξετάζονται πηγές τέταρτης γενιάς, οι οποίες θα περιλαμβάνουν διάφορες έννοιες για τη δημιουργία εξαιρετικά λαμπρών, παλμικών, χρονομετρημένων δομικών ακτίνων Χ για εξαιρετικά απαιτητικά και ίσως ακόμη μη δημιουργημένα πειράματα.
Πρώτες συσκευές
Στην αρχή, χρησιμοποιήθηκαν ηλεκτρομαγνήτες κάμψης σε επιταχυντές για τη δημιουργία αυτής της ακτινοβολίας, αλλά άλλες εξειδικευμένες συσκευές, συσκευές εισαγωγής, χρησιμοποιήθηκαν μερικές φορές για να δημιουργήσουν ένα ισχυρότερο εφέ φωτισμού. Οι μέθοδοι περίθλασης ακτινοβολίας σύγχροτρον (τρίτη γενιά) συνήθως εξαρτώνται από συσκευές πηγής, όπου τα ευθύγραμμα τμήματα του δακτυλίου αποθήκευσης περιέχουν περιοδικέςμαγνητικές δομές (που περιέχουν πολλούς μαγνήτες με τη μορφή εναλλασσόμενων πόλων N και S) που προκαλούν τα ηλεκτρόνια να κινούνται σε ημιτονοειδή ή σπειροειδή διαδρομή. Έτσι, αντί για μία μόνο κάμψη, πολλές δεκάδες ή εκατοντάδες «στροβιλισμοί» σε επακριβώς υπολογισμένες θέσεις προσθέτουν ή πολλαπλασιάζουν τη συνολική ένταση της δέσμης. Αυτές οι συσκευές ονομάζονται wigglers ή undulators. Η κύρια διαφορά μεταξύ ενός κυματιστή και ενός ταλαντευόμενου είναι η ένταση του μαγνητικού τους πεδίου και το πλάτος της απόκλισης από την άμεση διαδρομή των ηλεκτρονίων. Όλες αυτές οι συσκευές και οι μηχανισμοί είναι πλέον αποθηκευμένοι στο Κέντρο Ακτινοβολίας Συγχρονών (ΗΠΑ).
Εξαγωγή
Ο συσσωρευτής έχει οπές που επιτρέπουν στα σωματίδια να φύγουν από το υπόβαθρο ακτινοβολίας και να ακολουθήσουν τη γραμμή της δέσμης προς τον θάλαμο κενού του πειραματιστή. Ένας μεγάλος αριθμός τέτοιων ακτίνων μπορεί να προέρχεται από σύγχρονες συσκευές ακτινοβολίας σύγχροτρον τρίτης γενιάς.
Τα ηλεκτρόνια μπορούν να εξαχθούν από τον πραγματικό επιταχυντή και να αποθηκευτούν σε μια βοηθητική μαγνητική αποθήκευση εξαιρετικά υψηλού κενού, από όπου μπορούν να εξαχθούν (και όπου μπορούν να αναπαραχθούν) πολλές φορές. Οι μαγνήτες στον δακτύλιο πρέπει επίσης να επανασυμπιέζουν επανειλημμένα τη δέσμη έναντι των «δυνάμεων Coulomb» (ή, πιο απλά, των διαστημικών φορτίων) που τείνουν να καταστρέψουν τις δέσμες ηλεκτρονίων. Η αλλαγή κατεύθυνσης είναι μια μορφή επιτάχυνσης, επειδή τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν ακτινοβολία σε υψηλές ενέργειες και υψηλές ταχύτητες επιτάχυνσης σε έναν επιταχυντή σωματιδίων. Κατά κανόνα, η φωτεινότητα της ακτινοβολίας σύγχροτρον εξαρτάται επίσης από την ίδια ταχύτητα.
