Spektrum för synkrotronstrålning är inte så stort. Det vill säga att det bara kan delas in i några få typer. Om partikeln är icke-relativistisk, kallas sådan strålning cyklotronemission. Om å andra sidan partiklarna är relativistiska till sin natur, så kallas strålningen som är resultatet av deras interaktion ibland ultrarelativistisk. Synkron strålning kan uppnås antingen artificiellt (i synkrotroner eller lagringsringar) eller naturligt på grund av snabba elektroner som rör sig genom magnetfält. Den sålunda alstrade strålningen har en karakteristisk polarisation, och de genererade frekvenserna kan variera över hela det elektromagnetiska spektrumet, även kallad kontinuumstrålning.
Invigning
Fenomenet fick sitt namn efter en General Electric synkrotrongenerator byggd 1946. Dess existens tillkännagavs i maj 1947 av forskarna Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir och HerbPollock i sitt brev "Strålning från elektroner i synkrotronen". Men detta var bara en teoretisk upptäckt, du kommer att läsa om den första verkliga observationen av detta fenomen nedan.
Källor
När högenergipartiklar är i acceleration, inklusive elektroner som tvingas röra sig längs en krökt bana av ett magnetfält, produceras synkrotronstrålning. Detta liknar en radioantenn, men med skillnaden att teoretiskt sett kommer den relativistiska hastigheten att ändra den observerade frekvensen på grund av Dopplereffekten med Lorentz-koefficienten γ. Förkortningen av den relativistiska längden träffar sedan frekvensen som observeras av en annan faktor γ, och ökar därigenom frekvensen GHz för resonantkaviteten som accelererar elektronerna i röntgenområdet. Den utstrålade kraften bestäms av den relativistiska Larmor-formeln, och kraften på den utstrålade elektronen bestäms av kraften Abraham-Lorentz-Dirac.
Andra funktioner
Strålningsmönstret kan förvrängas från ett isotropt dipolmönster till en starkt riktad strålningskon. Elektronsynkrotronstrålning är den ljusaste artificiella källan till röntgenstrålar.
Geometrin hos planaccelerationen tycks göra strålningen linjärt polariserad när den ses i banans plan och cirkulärt polariserad när den ses i en liten vinkel mot det planet. Amplitud och frekvens är dock centrerade på den polära ekliptikan.
Källan för synkrotronstrålning är också en källa för elektromagnetisk strålning (EM), vilket ären förvaringsring utformad för vetenskapliga och tekniska ändamål. Denna strålning produceras inte bara av lagringsringar, utan också av andra specialiserade partikelacceleratorer, vanligtvis accelererande elektroner. När en högenergielektronstråle väl har genererats, riktas den mot hjälpkomponenter som böjmagneter och insättningsanordningar (undulatorer eller wigglers). De ger starka magnetfält, vinkelräta strålar, som är nödvändiga för att omvandla högenergielektroner till fotoner.
Användning av synkrotronstrålning
De huvudsakliga tillämpningarna för synkrotronljus är fysik för kondenserad materia, materialvetenskap, biologi och medicin. De flesta experiment som använder synkrotronljus är relaterade till studiet av materiens struktur från subnanometernivån för elektronisk struktur till nivån mikrometer och millimeter, vilket är viktigt för medicinsk avbildning. Ett exempel på en praktisk industriell tillämpning är produktion av mikrostrukturer med hjälp av LIGA-processen.
Synkrotronstrålning genereras också av astronomiska objekt, vanligtvis där relativistiska elektroner spiralformar (och därför ändrar hastighet) genom magnetfält.
Historia
Denna strålning upptäcktes först i en raket som avfyrades av Messier 87 1956 av Geoffrey R. Burbidge, som såg den som en bekräftelse på Iosif Shklovskys förutsägelse 1953, men den förutspåddes tidigare av Hannes Alfven och Nikolai Herlofson i 1950. Solflammor accelererar partiklarsom avger på detta sätt, som föreslogs av R. Giovanoli 1948 och kritiskt beskrevs av Piddington 1952.
Space
Supermassiva svarta hål föreslås skapa synkrotronstrålning genom att skjuta jetstrålar som skapats av gravitationsaccelererande joner genom supertrådiga "rörformiga" polära områden av magnetiska fält. Sådana jetstrålar, de närmaste av dem i Messier 87, identifierades av Hubble-teleskopet som superluminala signaler som rörde sig med en frekvens på 6 × s (sex gånger ljusets hastighet) från vår planetariska ram. Detta fenomen orsakas av att strålarna färdas mycket nära ljusets hastighet och i en mycket liten vinkel mot betraktaren. Eftersom höghastighetsstrålarna sänder ut ljus vid varje punkt längs deras väg, närmar sig ljuset de sänder inte betraktaren mycket snabbare än själva strålen. Ljus som sänds ut under hundratals års resor når alltså betraktaren under en mycket kortare tidsperiod (tio eller tjugo år). Det finns ingen kränkning av den speciella relativitetsteorin i detta fenomen.
En impulsiv emission av gammastrålning från en nebulosa med en ljusstyrka på upp till ≧25 GeV har nyligen upptäckts, troligen på grund av synkrotronemission från elektroner som fångas i ett starkt magnetfält runt pulsaren. En klass av astronomiska källor där synkrotronemission är viktig är pulsarvindnebulosor, eller plerioner, av vilka krabbnebulosan och dess tillhörande pulsar är arketypiska. Polarisering i krabbnebulosan vid energier mellan 0,1 och 1,0 MeV är typisk synkrotronstrålning.
Kort om beräkningar och kolliderar
I ekvationer om detta ämne skrivs ofta speciella termer eller värden som symboliserar de partiklar som utgör det så kallade hastighetsfältet. Dessa termer representerar effekten av partikelns statiska fält, som är en funktion av noll- eller konstanthastighetskomponenten av dess rörelse. Tvärtom faller den andra termen av som den reciproka av den första potensen av avståndet från källan, och vissa termer kallas accelerationsfältet eller strålningsfältet eftersom de är komponenter i fältet på grund av laddningens acceleration (förändring i hastighet).
Den utstrålade effekten skalas alltså som en energi av fjärde potensen. Denna strålning begränsar energin hos elektron-positron-cirkulär kollideraren. Vanligtvis begränsas protonkolliderare istället av det maximala magnetfältet. Därför, till exempel, har Large Hadron Collider ett massenergicentrum som är 70 gånger högre än någon annan partikelaccelerator, även om massan av en proton är 2000 gånger den för en elektron.
Terminologi
Olika vetenskapsområden har ofta olika sätt att definiera termer. Tyvärr, inom röntgenområdet, betyder flera termer samma sak som "strålning". Vissa författare använder termen "ljusstyrka", som en gång användes för att referera till fotometrisk ljusstyrka, eller användes felaktigt förbeteckningar på radiometrisk strålning. Intensitet betyder effekttäthet per ytenhet, men för röntgenkällor betyder det vanligtvis briljans.
Förekomstmekanism
Synkrotronstrålning kan uppstå i acceleratorer antingen som ett oförutsett fel, vilket orsakar oönskade energiförluster i samband med partikelfysik, eller som en avsiktligt utformad strålningskälla för många laboratorietillämpningar. Elektronerna accelereras till höga hastigheter i flera steg för att nå en slutlig energi som vanligtvis ligger inom gigaelektronvoltsområdet. Elektroner tvingas röra sig i en sluten bana av starka magnetfält. Den liknar en radioantenn, men med skillnaden att den relativistiska hastigheten ändrar den observerade frekvensen på grund av Dopplereffekten. Relativistisk Lorentz-kontraktion påverkar gigahertzfrekvensen och multiplicerar den därigenom i en resonanshålighet som accelererar elektroner in i röntgenområdet. En annan dramatisk effekt av relativitetsteori är att strålningsmönstret förvrängs från det isotropiska dipolmönstret som förväntas från icke-relativistisk teori till en extremt riktad strålningskon. Detta gör synkrotronstrålningsdiffraktion till det bästa sättet att skapa röntgenstrålar. Den platta accelerationsgeometrin gör strålningen linjärt polariserad när den ses i banans plan och skapar cirkulär polarisation när den ses i en liten vinkel mot detta plan.
Olik användning
Fördelar med att användasynkrotronstrålning för spektroskopi och diffraktion har implementerats av ett ständigt växande forskarsamhälle sedan 1960- och 1970-talen. I början skapades acceleratorer för partikelfysik. Det "parasitiska läget" använde synkrotronstrålning, där den böjande magnetiska strålningen måste extraheras genom att borra ytterligare hål i strålrören. Den första lagringsringen som introducerades som en synkrotronljuskälla var Tantalus, som lanserades första gången 1968. När acceleratorstrålningen blev mer intensiv och dess tillämpningar blev mer lovande, byggdes enheter som ökade dess intensitet in i befintliga ringar. Synkrotronstrålningsdiffraktionsmetoden utvecklades och optimerades redan från början för att erhålla högkvalitativa röntgenstrålar. Fjärde generationens källor övervägs, vilket kommer att innehålla olika koncept för att skapa ultrabriljanta, pulsade, tidsinställda strukturella röntgenstrålar för extremt krävande och kanske ännu inte skapade experiment.
Första enheter
Först användes böjande elektromagneter i acceleratorer för att generera denna strålning, men andra specialiserade enheter, insättningsenheter, användes ibland för att skapa en starkare ljuseffekt. Metoder för synkrotronstrålningsdiffraktion (tredje generationen) beror vanligtvis på källanordningar, där de raka delarna av lagringsringen innehåller periodiskamagnetiska strukturer (innehållande många magneter i form av alternerande N- och S-poler) som gör att elektroner rör sig i en sinusformad eller spiralformad bana. Således, istället för en enda böj, adderar eller multiplicerar många tiotals eller hundratals "virvlar" i exakt beräknade positioner strålens totala intensitet. Dessa enheter kallas wigglers eller undulatorer. Huvudskillnaden mellan en undulator och en wiggler är intensiteten på deras magnetfält och amplituden för avvikelsen från elektronernas direkta väg. Alla dessa enheter och mekanismer lagras nu på Center for Synchrotron Radiation (USA).
Extraction
Akumulatorn har hål som gör att partiklar kan lämna strålningsbakgrunden och följa strålens linje till försöksledarens vakuumkammare. Ett stort antal sådana strålar kan komma från moderna tredje generationens synkrotronstrålningsanordningar.
Elektroner kan extraheras från själva acceleratorn och lagras i ett extra magnetiskt ultrahögvakuumlager, varifrån de kan extraheras (och där de kan reproduceras) ett stort antal gånger. Magneterna i ringen måste också upprepade gånger komprimera strålen mot "Coulomb-krafterna" (eller, enklare, rymdladdningar) som tenderar att förstöra elektronknippen. Riktningsförändring är en form av acceleration, eftersom elektroner avger strålning med höga energier och höga accelerationshastigheter i en partikelaccelerator. Som regel beror ljusstyrkan hos synkrotronstrålning också på samma hastighet.
