A szinkrotron sugárzás spektruma nem olyan nagy. Vagyis csak néhány típusra osztható. Ha a részecske nem relativisztikus, akkor az ilyen sugárzást ciklotron emissziónak nevezzük. Ha viszont a részecskék relativisztikus jellegűek, akkor a kölcsönhatásukból származó sugárzásokat néha ultrarelativisztikusnak nevezik. A szinkron sugárzás vagy mesterségesen (szinkrotronokban vagy tárológyűrűkben), vagy természetesen a mágneses mezőkön keresztül gyorsan mozgó elektronok révén érhető el. Az így előállított sugárzás jellegzetes polarizációval rendelkezik, és a generált frekvenciák a teljes elektromágneses spektrumban változhatnak, amelyet kontinuumsugárzásnak is neveznek.
Nyitás
Ez a jelenség egy 1946-ban épített General Electric szinkrotrongenerátorról kapta a nevét. Létét 1947 májusában jelentették be Frank Elder, Anatolij Gurevich, Robert Langmuir és Herb tudósok. Pollock "Az elektronok sugárzása a szinkrotronban" című levelében. De ez csak elméleti felfedezés volt, a jelenség első valódi megfigyeléséről alább olvashat.
Források
Amikor a nagy energiájú részecskék gyorsulnak, beleértve az elektronokat is, amelyeket a mágneses tér ívelt pályára kényszerít, szinkrotronsugárzás keletkezik. Ez hasonló a rádióantennához, de azzal a különbséggel, hogy elméletileg a relativisztikus sebesség a Doppler-effektus miatt a γ Lorentz-együtthatóval megváltoztatja a megfigyelt frekvenciát. A relativisztikus hossz lerövidülése ekkor egy másik γ tényező által megfigyelt frekvenciát érinti, ezáltal megnő a röntgentartományban az elektronokat gyorsító rezonanciaüreg GHz frekvenciája. A kisugárzott teljesítményt a relativisztikus Larmor-képlet, a kisugárzott elektronra ható erőt pedig az Abraham-Lorentz-Dirac erő határozza meg.
Egyéb funkciók
A sugárzási mintázat izotróp dipólusmintából erősen irányított sugárzáskúpmá torzulhat. Az elektron-szinkrotron sugárzás a röntgensugárzás legfényesebb mesterséges forrása.
A síkbeli gyorsulás geometriája úgy tűnik, hogy a sugárzás lineárisan polarizált, ha a pálya síkjában nézzük, és körkörösen polarizált, ha a síkhoz képest kis szögben nézzük. Az amplitúdó és a frekvencia azonban a sarki ekliptikára összpontosul.
A szinkrotron sugárzás forrása egyben az elektromágneses sugárzás (EM) forrása is,tudományos és műszaki célokra tervezett tárológyűrű. Ezt a sugárzást nemcsak tárológyűrűk, hanem más speciális részecskegyorsítók, általában gyorsító elektronok is előállítják. Ha nagy energiájú elektronsugarat generálnak, azt a segédkomponensekhez, például a hajlítómágnesekhez és a behelyező eszközökhöz (ingulátorokhoz vagy ingadozókhoz) irányítják. Erős mágneses tereket, merőleges nyalábokat biztosítanak, amelyek szükségesek ahhoz, hogy a nagy energiájú elektronokat fotonokká alakítsák.
Szinkrotronsugárzás használata
A szinkrotronfény fő alkalmazásai a kondenzált anyag fizika, az anyagtudomány, a biológia és az orvostudomány. A szinkrotronfénnyel végzett kísérletek többsége az anyag szerkezetének vizsgálatához kapcsolódik az elektronikus szerkezet nanométer alatti szintjétől a mikrométer és milliméter szintjéig, ami az orvosi képalkotás szempontjából fontos. Gyakorlati ipari alkalmazásra példa a mikrostruktúrák LIGA eljárással történő előállítása.
Szinkrotronsugárzást csillagászati objektumok is generálnak, általában ott, ahol a relativisztikus elektronok spiráloznak (és ezáltal sebességet változtatnak) a mágneses mezőkön keresztül.
Előzmények
Ezt a sugárzást először Geoffrey R. Burbidge fedezte fel 1956-ban a Messier 87 által kilőtt rakétában, aki Iosif Shklovsky 1953-as jóslásának megerősítését látta benne, de korábban Hannes Alfven és Nikolai Herlofson is megjósolta. 1950. A napkitörések felgyorsítják a részecskéketamelyek ilyen módon bocsátanak ki, ahogy azt R. Giovanolli javasolta 1948-ban, és kritikusan leírta Piddington 1952-ben.
Space
A szupermasszív fekete lyukakat szinkrotronsugárzás létrehozására javasolják a gravitációsan felgyorsuló ionok által létrehozott sugarak átnyomásával a mágneses mezők szupervezetékes "csőszerű" poláris tartományain. Az ilyen fúvókákat, a legközelebbi a Messier 87-ben, a Hubble-teleszkóp olyan szuperluminális jelekként azonosította, amelyek 6 × s (a fénysebesség hatszoros) frekvenciájával mozognak a bolygókeretünkből. Ezt a jelenséget az okozza, hogy a fúvókák nagyon közel haladnak a fénysebességhez, és nagyon kis szöget zárnak be a megfigyelőhöz képest. Mivel a nagy sebességű fúvókák útjuk minden pontján fényt bocsátanak ki, az általuk kibocsátott fény nem sokkal gyorsabban közelíti meg a megfigyelőt, mint maga a sugár. A több száz éves utazás során kibocsátott fény tehát sokkal rövidebb idő alatt (tíz-húsz év) jut el a megfigyelőhöz. Ez a jelenség nem sérti a speciális relativitáselméletet.
A közelmúltban egy legfeljebb ≧25 GeV fényerősségű ködből származó gammasugárzás impulzív kibocsátását észlelték, valószínűleg a pulzár körüli erős mágneses térben csapdába esett elektronok szinkrotron-emissziója miatt. A csillagászati források egy osztálya, ahol a szinkrotron emisszió fontos, a pulzár szélködök vagy plerionok, amelyek közül a Rák-köd és a hozzá tartozó pulzár archetípusos. A Rák-köd 0,1 és 1,0 MeV közötti energiájú polarizációja tipikus szinkrotronsugárzás.
Röviden a számításról és az ütköztetőkről
Az ezzel kapcsolatos egyenletekben gyakran speciális kifejezéseket vagy értékeket írnak le, amelyek az úgynevezett sebességmezőt alkotó részecskéket szimbolizálják. Ezek a kifejezések a részecske statikus mezejének hatását jelentik, amely a mozgása nulla vagy állandó sebességű összetevőjének függvénye. Ellenkezőleg, a második tag a forrástól való távolság első hatványának reciprokaként esik le, és néhány tagot gyorsulási mezőnek vagy sugárzási mezőnek neveznek, mivel a töltés gyorsulása miatt a mező összetevői (sebességváltozás).
Így a kisugárzott teljesítmény a negyedik hatvány energiájaként van skálázva. Ez a sugárzás korlátozza az elektron-pozitron körütköztető energiáját. A protonütközőket általában a maximális mágneses tér korlátozza. Ezért például a Nagy Hadronütköztető tömegközéppontja 70-szer nagyobb, mint bármely más részecskegyorsítónak, még akkor is, ha egy proton tömege 2000-szer akkora, mint egy elektroné.
Terminológia
A különböző tudományterületek gyakran eltérő módon határozzák meg a kifejezéseket. Sajnos a röntgen területén több kifejezés ugyanazt jelenti, mint a "sugárzás". Egyes szerzők a "fényerő" kifejezést használják, amelyet egykor a fotometriai fényerőre ut altak, vagy helytelenül használtákradiometrikus sugárzás megnevezései. Az intenzitás az egységnyi területre eső teljesítménysűrűséget jelenti, de a röntgenforrások esetében általában a ragyogást.
Előfordulás mechanizmusa
A szinkrotronsugárzás vagy előre nem látható hibaként fordulhat elő a gyorsítókban, nem kívánt energiaveszteséget okozva a részecskefizika összefüggésében, vagy szándékosan tervezett sugárforrásként számos laboratóriumi alkalmazáshoz. Az elektronokat több lépésben nagy sebességre gyorsítják, hogy elérjék a végső energiát, amely általában a gigaelektronvolt tartományba esik. Az elektronokat erős mágneses mezők kényszerítik zárt úton történő mozgásra. Hasonló a rádióantennához, de azzal a különbséggel, hogy a relativisztikus sebesség a Doppler-effektus miatt megváltoztatja a megfigyelt frekvenciát. A relativisztikus Lorentz-összehúzódás befolyásolja a gigahertz frekvenciát, ezáltal megsokszorozza azt egy rezonáns üregben, amely az elektronokat a röntgensugár tartományába gyorsítja. A relativitáselmélet másik drámai hatása, hogy a sugárzási mintázat a nem-relativisztikus elmélettől elvárt izotróp dipólusmintázattól egy rendkívül irányított sugárzási kúpig torzul. Emiatt a szinkrotron sugárzás diffrakciója a legjobb módja a röntgensugarak létrehozásának. A lapos gyorsulási geometria lineárisan polarizálttá teszi a sugárzást, ha a pálya síkjában nézzük, és körkörös polarizációt hoz létre, ha ezzel a síkkal enyhe szögben nézzük.
Különféle felhasználás
Használat előnyeiA spektroszkópiai és diffrakciós szinkrotronsugárzást az 1960-as és 1970-es évek óta folyamatosan növekvő tudományos közösség alkalmazza. Kezdetben a részecskefizika számára készítettek gyorsítókat. A "parazita mód" szinkrotron sugárzást alkalmazott, ahol a hajlító mágneses sugárzást a nyalábcsövekbe további lyukak fúrásával kellett kivonni. Az első szinkrotron fényforrásként bevezetett tárológyűrű a Tantalus volt, amelyet először 1968-ban dobtak piacra. Ahogy a gyorsító sugárzás intenzívebbé vált és alkalmazásai egyre ígéretesebbek lettek, a meglévő gyűrűkbe olyan eszközöket építettek, amelyek fokozták az intenzitását. A szinkrotron sugárzás diffrakciós módszerét a kezdetektől fogva fejlesztették és optimalizálták, hogy kiváló minőségű röntgensugárzást kapjanak. Negyedik generációs forrásokat fontolgatnak, amelyek különféle koncepciókat tartalmaznak majd ultra-brilliáns, impulzusos, időzített szerkezeti röntgensugarak létrehozására rendkívül igényes és talán még meg nem született kísérletekhez.
Első eszközök
Eleinte a gyorsítókban hajlító elektromágneseket használták ennek a sugárzásnak a generálására, de néha más speciális eszközöket, behelyező eszközöket is alkalmaztak erősebb fényhatás létrehozására. A szinkrotron sugárzás diffrakciós módszerei (harmadik generáció) általában a forráseszközöktől függenek, ahol a tárológyűrű egyenes szakaszai periodikusmágneses szerkezetek (sok mágnest tartalmaznak váltakozó N és S pólusok formájában), amelyek az elektronok szinuszos vagy spirális pályán történő mozgását okozzák. Így egyetlen kanyar helyett sok tíz vagy száz "örvénylés" pontosan kiszámított pozíciókban hozzáadja vagy megsokszorozza a sugár teljes intenzitását. Ezeket az eszközöket wigglernek vagy hullámzónak nevezik. A fő különbség a hullámzó és a wiggler között a mágneses mező intenzitása és az elektronok közvetlen útjától való eltérés amplitúdója. Mindezeket az eszközöket és mechanizmusokat most a szinkrotronsugárzási központban (USA) tárolják.
Kivonás
Az akkumulátorban vannak lyukak, amelyek lehetővé teszik a részecskék számára, hogy elhagyják a sugárzási hátteret, és kövessék a nyaláb vonalát a kísérletező vákuumkamrájába. Számos ilyen nyaláb származhat modern, harmadik generációs szinkrotronsugárzó eszközökből.
Az elektronok kinyerhetők a tényleges gyorsítóból, és egy kiegészítő ultramagas vákuummágneses tárolóban tárolhatók, ahonnan számos alkalommal kinyerhetők (és ahol reprodukálhatók). A gyűrűben lévő mágneseknek ismételten újra össze kell nyomniuk a sugarat a "Coulomb-erők" (vagy egyszerűbben a tértöltések) ellen, amelyek hajlamosak tönkretenni az elektroncsomókat. Az irányváltoztatás a gyorsítás egyik formája, mivel az elektronok nagy energiájú és nagy gyorsulási sebességű sugárzást bocsátanak ki a részecskegyorsítóban. Általános szabály, hogy a szinkrotron sugárzás fényereje is ettől a sebességtől függ.
