Синхротронне випромінювання: поняття, основи, принцип

Спектр синхротронного випромінювання не так уже й великий. Тобто вона може бути розділена лише на кілька видів. Якщо частка нерелятивістська, то таке випромінювання називається циклотронної емісією.

Якщо, з іншого боку, частинки є релятивістськими за своєю суттю, то випромінювання, отримані в результаті їхньої взаємодії, іноді називаються ультрарелятивістських. Синхронне випромінювання може бути досягнуто або штучно (в синхротронах або накопичувальних кільцях), або природно завдяки швидким електронам, які йшли через магнітні поля. Отримане таким чином випромінювання має характерну поляризацію, і генеруються частоти можуть варіюватися по всьому електромагнітного спектру, який також називається контінуумним випромінюванням.

Відкриття

Цей феномен був названий на честь синхротронного генератора General Electric, побудованого в 1946 році. Про його існування заявили в травні 1947 року вчені Френк Елдер, Анатолій Гуревич, Роберт Ленгмюра і Герб Поллок в листі «Радіація від електронів в синхротроні». Але це було лише теоретичне відкриття, про перше реальному спостереженні цього феномена ви прочитаєте нижче.

Джерела

Коли частинки з високою енергією знаходяться в прискоренні, у тому числі електрони, які змушують рухатися по кривій траєкторії магнітним полем, виходить синхротронне випромінювання. Це схоже на радіоантену, але з тією різницею, що теоретично релятивістська швидкість змінить спостережувану частоту через ефект Доплера на коефіцієнт Лоренца γ. Скорочення релятивістської довжини потім вдаряє по частоті, що спостерігається іншим фактором γ, тим самим збільшуючи частоту ГГц резонансної порожнини, яка прискорює електрони в рентгенівському діапазоні. Випромінювана потужність визначається релятивістської ларморовской формулою, а сила на випромінюваному електроні – силою Абрахама-Лоренца-Дірака.

Інші характеристики

Радіаційна картина може бути перекручена з ізотропного дипольного малюнка в надзвичайно спрямований конус випромінювання. Синхротронне випромінювання електронів є найяскравішим штучним джерелом рентгенівських променів.

Геометрія планарного прискорення, мабуть, робить випромінювання лінійно поляризованим при спостереженні в площині орбіти і циркулярно поляризованим при спостереженні під невеликим кутом до цієї площини. Амплітуда і частота, однак, зосереджені на полярній екліптиці.

Джерелом синхротронного випромінювання є також і джерело електромагнітного випромінювання (ЕМ), що представляє собою накопичувальне кільце, створене для науково-технічних цілей. Це випромінювання проводиться не тільки накопичувальними кільцями, а й іншими спеціалізованими прискорювачами часток, зазвичай прискорюють електрони. Як тільки генерується високоенергетичний електронний пучок, він спрямований на допоміжні компоненти, такі як згинальні магніти і пристрої для вставки (ондулятор або вігглери). Вони забезпечують сильні магнітні поля, перпендикулярні промені, які необхідні для перетворення електронів високої енергії в фотони.

Застосування синхротронного випромінювання

Основні області застосування синхротронного світла – фізика конденсованих середовищ, матеріалознавство, біологія і медицина. Велика частина експериментів з використанням синхротронного світла пов’язана з вивченням структури речовини з суб-нанометрового рівня електронної структури до рівня мікрометра і міліметра, важливого для медичної візуалізації. Прикладом практичного промислового застосування є виробництво мікроструктур по процесу ЛІГА.

Синхротронне випромінювання також генерується астрономічними об’єктами, зазвичай там, де релятивістські електрони спірально переміщуються (і, отже, змінюють швидкість) через магнітні поля.

Історія

Це випромінювання було вперше виявлено в реактивному снаряді, випущеному Мессьє 87 у 1956 році, Джеффрі Р. Бурбіджем, який бачив його в якості підтвердження передбачення Йосипа Шкловського в 1953 році, але він був передбачений раніше Ханнесом Альфвеном і Миколою Херлофсоном в 1950 році. Сонячні спалахи прискорюють частинки, які випускають таким чином, як це було запропоновано Р. Джованоллі в 1948 році і критично описано Піддінгтон в 1952 році.

Космос

Запропоновано надмасивні чорні діри для створення синхротронного випромінювання шляхом виштовхування струменів, створюваних гравітаційно ускоряющимися іонами через сверхкортірованние «трубчасті» полярні області магнітних полів. Такі струменя, найближчі з них в Мессьє 87, були визначені телескопом Хаббла як сверхсветовие сигнали, що рухаються з частотою 6 × с (в шість разів більша за швидкість світла) від нашої планетарної рамки. Це явище викликане тим, що струмені рухаються дуже близько до швидкості світла і під дуже невеликим кутом до спостерігача. Оскільки в кожній точці їх шляху високошвидкісні струмені випромінюють світло, світло, яке вони випромінюють, не наближається до спостерігача набагато швидше, ніж сама струмінь. Світло, що випромінюється протягом сотень років подорожей, таким чином, приходить до спостерігача протягом набагато меншого періоду часу (десять або двадцять років). Порушення спеціальної теорії відносності в цьому явищі немає.

Синхротронного промінь.

Нещодавно було виявлено імпульсна виділення гамма-випромінювання від туманності яскравістю до ≥25 ГеВ, що виникло, ймовірно, через синхротронного випромінювання електронами, захопленими сильним магнітним полем навколо пульсара. Клас астрономічних джерел, де важлива синхротронного емісія, – пульсарние вітрові туманності, або плеріон, з яких Крабовидная туманність і пов’язаний з нею пульсар є архетипними. Поляризація в Крабовидної туманності при енергіях від 0,1 до 1,0 МеВ є типовим синхротронне випромінювання.

Коротко про обчислення і коллайдерах

У рівняннях на цю тему часто пишуться спеціальні члени або значення, що символізують частинки, що становлять так зване поле швидкостей. Ці члени представляють собою ефект статичного поля частинки, який є функцією компонента його руху, що має нульову або постійну швидкість. Навпаки, другий доданок падає як зворотна перша ступінь відстані від джерела, а деякі члени називаються полем прискорення або полем випромінювання, тому що вони являють собою компоненти поля, що виник через прискорення заряду (зміна швидкості).

Таким чином, яку випромінює потужність масштабується як енергія четвертого ступеня. Це випромінювання обмежує енергію електрон-позитронного кругового коллайдера. Як правило, протонні колайдери замість цього обмежені максимальним магнітним полем. Тому, наприклад, Великий адронний коллайдер має енергію центру мас в 70 разів вище, ніж будь-який інший прискорювач частинок, навіть якщо маса протона в 2000 разів більше маси електрона.

Термінологія

Різні галузі науки часто мають різні способи визначення термінів. На жаль, в області рентгенівських променів кілька термінів означають те ж саме, що і “випромінювання”. Деякі автори використовують термін «яскравість», який колись використовувався для позначення фотометрической яскравості або використовувався неправильно для позначення радіометричного випромінювання. Інтенсивність означає щільність потужності на одиницю площі, але для джерел рентгенівських променів зазвичай означає блиск.

Механізм виникнення

Синхротронне випромінювання може відбуватися в прискорювачах або в якості непередбаченої помилки, викликаючи небажані втрати енергії в контексті фізики частинок, або як свідомо створений джерело випромінювання для численних лабораторних застосувань. Електрони прискорюються до високих швидкостей в кілька етапів для досягнення кінцевої енергії, яка зазвичай знаходиться в діапазоні гігаелектронвольт. Електрони змушені рухатися по замкнутому шляху під впливом магнітних полів. Це схоже на радіоантену, але з тією різницею, що релятивістська швидкість змінює спостережувану частоту через ефект Доплера. Релятивістське стиснення Лоренца впливає на гігагерцовий частоту, тим самим множачи її в резонансної порожнини, яка прискорює електрони в рентгенівський діапазон. Іншим драматичним ефектом відносності є те, що картина випромінювання спотворюється від ізотропної дипольної картини, очікуваної від нерелятивистской теорії, до надзвичайно спрямованого конуса випромінювання. Це робить дифракцію синхротронного випромінювання найкращим способом створення рентгенівських променів. Плоска геометрія прискорення робить випромінювання лінійно поляризованим при спостереженні в площині орбіти і створює кругову поляризацію при спостереженні під невеликим кутом до цієї площини.

Посилання на основну публікацію