Sinhrotrona starojuma spektrs nav tik liels. Tas ir, to var iedalīt tikai dažos veidos. Ja daļiņa ir nerelativistiska, tad šādu starojumu sauc par ciklotronu emisiju. Savukārt, ja daļiņām ir relatīvs raksturs, tad to mijiedarbības rezultātā radušos starojumu dažkārt sauc par ultrarelativistisku. Sinhrono starojumu var panākt vai nu mākslīgi (sinhrotronos vai uzglabāšanas gredzenos), vai dabiski, pateicoties ātrai elektronu kustībai pa magnētiskajiem laukiem. Šādi radītajam starojumam ir raksturīga polarizācija, un ģenerētās frekvences var atšķirties visā elektromagnētiskajā spektrā, ko sauc arī par kontinuuma starojumu.
Atklāšana
Šī parādība tika nosaukta pēc 1946. gadā uzbūvētā General Electric sinhrotronu ģeneratora. Par tās esamību 1947. gada maijā paziņoja zinātnieki Frenks Elders, Anatolijs Gurevičs, Roberts Langmuirs un Herbs. Polloks savā vēstulē "Radiācija no elektroniem sinhrotronā". Bet tas bija tikai teorētisks atklājums, par pirmo īsto šīs parādības novērojumu lasiet zemāk.
Avoti
Kad lielas enerģijas daļiņas atrodas paātrinājumā, tostarp elektroni, kas magnētiskā lauka ietekmē ir spiesti pārvietoties pa izliektu ceļu, rodas sinhrotronu starojums. Tas ir līdzīgs radio antenai, bet ar atšķirību, ka teorētiski relativistiskais ātrums mainīs novēroto frekvenci Doplera efekta dēļ ar Lorenca koeficientu γ. Relativistiskā garuma saīsināšana pēc tam sasniedz frekvenci, ko novēro cits faktors γ, tādējādi palielinot rezonanses dobuma frekvenci GHz, kas paātrina elektronus rentgenstaru diapazonā. Izstaroto jaudu nosaka pēc relativistiskās Larmora formulas, un spēku uz izstarotajiem elektroniem nosaka Ābrahama-Lorenca-Diraka spēks.
Citas funkcijas
Radiācijas shēma var tikt izkropļota no izotropiskā dipola parauga uz ļoti virzītu starojuma konusu. Elektronu sinhrotronu starojums ir spilgtākais mākslīgais rentgenstaru avots.
Šķiet, ka plakanā paātrinājuma ģeometrija padara starojumu lineāri polarizētu, skatoties orbītas plaknē, un cirkulāri polarizētu, ja to skatās nelielā leņķī pret šo plakni. Tomēr amplitūda un frekvence ir vērsta uz polāro ekliptiku.
Sinhrotrona starojuma avots ir arī elektromagnētiskā starojuma (EM) avots, kas irglabāšanas gredzens, kas paredzēts zinātniskiem un tehniskiem nolūkiem. Šo starojumu rada ne tikai uzglabāšanas gredzeni, bet arī citi specializēti daļiņu paātrinātāji, parasti paātrinātāji elektroni. Tiklīdz tiek ģenerēts augstas enerģijas elektronu stars, tas tiek novirzīts uz palīgkomponentiem, piemēram, lieces magnētiem un ievietošanas ierīcēm (viļņotājiem vai kustinātājiem). Tie nodrošina spēcīgus magnētiskos laukus, perpendikulārus starus, kas nepieciešami, lai augstas enerģijas elektronus pārvērstu fotonos.
Sinhrotrona starojuma izmantošana
Sinhrotronu gaismas galvenie pielietojumi ir kondensētās vielas fizika, materiālu zinātne, bioloģija un medicīna. Lielākā daļa eksperimentu, izmantojot sinhrotronu gaismu, ir saistīti ar vielas struktūras izpēti no elektroniskās struktūras subnanometra līmeņa līdz mikrometra un milimetra līmenim, kas ir svarīgi medicīniskajai attēlveidošanai. Praktiska rūpnieciska pielietojuma piemērs ir mikrostruktūru ražošana, izmantojot LIGA procesu.
Sinhrotronu starojumu ģenerē arī astronomiskie objekti, parasti vietās, kur relativistiskie elektroni spirālē (un līdz ar to maina ātrumu) caur magnētiskajiem laukiem.
Vēsture
Šo starojumu 1956. gadā Mesjē 87 izšautajā raķetē pirmo reizi atklāja Džefrijs R. Burbidžs, kurš to uzskatīja par Josifa Šklovska pareģojumu apstiprinājumu 1953. gadā, bet agrāk to paredzēja Hanness Alfvens un Nikolajs Herlofsons 1950. gads. Saules uzliesmojumi paātrina daļiņaskas izstaro šādā veidā, kā to ierosināja R. Džovanolli 1948. gadā un kritiski aprakstīja Pidingtons 1952. gadā.
Space
Supermasīvie melnie caurumi ir ierosināti, lai radītu sinhrotronu starojumu, izspiežot strūklas, ko rada gravitācijas paātrinoši joni, caur supervadītiem "cauruļveida" magnētisko lauku polārajiem apgabaliem. Šādas strūklas, vistuvākās Mesjē 87, Habla teleskops identificēja kā superluminālus signālus, kas pārvietojas ar frekvenci 6 × s (sešas reizes lielāks par gaismas ātrumu) no mūsu planētas rāmja. Šo parādību izraisa strūklas, kas pārvietojas ļoti tuvu gaismas ātrumam un ļoti mazā leņķī pret novērotāju. Tā kā ātrgaitas strūklas izstaro gaismu katrā sava ceļa punktā, to izstarotā gaisma netuvojas novērotājam daudz ātrāk nekā pati strūkla. Gaisma, kas izstaro simtiem ceļojumu gadu, tādējādi sasniedz novērotāju daudz īsākā laika posmā (desmit vai divdesmit gados). Šajā fenomenā nav speciālās relativitātes teorijas pārkāpumu.
Nesen tika konstatēta impulsīva gamma starojuma emisija no miglāja ar spilgtumu līdz ≧25 GeV, iespējams, elektronu sinhrotronu emisijas dēļ, kas iesprostoti spēcīgā magnētiskajā laukā ap pulsāru. Astronomisko avotu klase, kur sinhrotronu emisija ir svarīga, ir pulsāra vēja miglāji jeb plerioni, no kuriem Krabja miglājs un ar to saistītais pulsārs ir arhetipiski. Polarizācija Krabja miglājā pie enerģijām no 0,1 līdz 1,0 MeV ir tipisks sinhrotronu starojums.
Īsumā par aprēķiniem un sadursmēm
Šīs tēmas vienādojumos bieži tiek rakstīti īpaši termini vai vērtības, kas simbolizē daļiņas, kas veido tā saukto ātruma lauku. Šie termini apzīmē daļiņas statiskā lauka ietekmi, kas ir tās kustības nulles vai nemainīgā ātruma komponentes funkcija. Gluži pretēji, otrais termins izkrīt kā attāluma no avota pirmās jaudas apgrieztais lielums, un dažus terminus sauc par paātrinājuma lauku vai starojuma lauku, jo tie ir lauka sastāvdaļas lādiņa paātrinājuma dēļ (ātruma maiņa).
Tādējādi izstarotā jauda tiek mērogota kā ceturtās jaudas enerģija. Šis starojums ierobežo elektronu-pozitronu apļveida paātrinātāja enerģiju. Parasti protonu paātrinātājus ierobežo maksimālais magnētiskais lauks. Tāpēc, piemēram, Lielā hadronu paātrinātāja masas enerģijas centrs ir 70 reizes lielāks nekā jebkura cita daļiņu paātrinātāja masa, pat ja protona masa ir 2000 reižu lielāka par elektrona masu.
Terminoloģija
Dažādās zinātnes jomās bieži vien ir dažādi terminu definēšanas veidi. Diemžēl rentgenstaru jomā vairāki termini nozīmē to pašu, ko "radiācija". Daži autori lieto terminu "spilgtums", kas kādreiz tika lietots, lai apzīmētu fotometrisko spilgtumu, vai arī tika lietots nepareiziradiometriskā starojuma apzīmējumi. Intensitāte nozīmē jaudas blīvumu uz laukuma vienību, bet rentgenstaru avotiem tas parasti nozīmē mirdzumu.
Notikuma mehānisms
Sinhrotronu starojums var rasties paātrinātājos vai nu kā neparedzēta kļūda, izraisot nevēlamus enerģijas zudumus daļiņu fizikas kontekstā, vai arī kā apzināti izstrādāts starojuma avots daudziem laboratorijas lietojumiem. Elektroni tiek paātrināti līdz lielam ātrumam vairākos posmos, lai sasniegtu galīgo enerģiju, kas parasti ir gigaelektronvoltu diapazonā. Spēcīgi magnētiskie lauki elektronus liek pārvietoties slēgtā ceļā. Tas ir līdzīgs radio antenai, bet ar atšķirību, ka relativistiskais ātrums maina novēroto frekvenci Doplera efekta dēļ. Relatīvistiskā Lorenca kontrakcija ietekmē gigahercu frekvenci, tādējādi reizinot to rezonanses dobumā, kas paātrina elektronus rentgena diapazonā. Vēl viens dramatisks relativitātes efekts ir tas, ka starojuma modelis tiek izkropļots no izotropā dipola modeļa, kas sagaidāms no nerelativistiskās teorijas, līdz ārkārtīgi virzītam starojuma konusam. Tas padara sinhrotronu starojuma difrakciju par labāko veidu rentgena staru radīšanai. Plakanā paātrinājuma ģeometrija padara starojumu lineāri polarizētu, ja to skatās orbītas plaknē, un rada apļveida polarizāciju, ja to skatās nelielā leņķī pret šo plakni.
Dažādi lietojumi
Lietošanas priekšrocībasSinhrotronu starojumu spektroskopijai un difrakcijai kopš 1960. un 1970. gadiem ir ieviesusi arvien augošā zinātnieku aprindās. Sākumā tika radīti paātrinātāji daļiņu fizikas vajadzībām. "Parazītiskais režīms" izmantoja sinhrotronu starojumu, kur lieces magnētiskais starojums bija jāizņem, urbjot papildu caurumus staru caurulēs. Pirmais uzglabāšanas gredzens, kas tika ieviests kā sinhrotrona gaismas avots, bija Tantalus, kas pirmo reizi tika palaists 1968. gadā. Tā kā paātrinātāja starojums kļuva intensīvāks un tā pielietojums kļuva daudzsološāks, esošajos gredzenos tika iebūvētas ierīces, kas palielināja tā intensitāti. Sinhrotrona starojuma difrakcijas metode tika izstrādāta un optimizēta jau no paša sākuma, lai iegūtu augstas kvalitātes rentgenstarus. Tiek apsvērti ceturtās paaudzes avoti, kas ietvers dažādas koncepcijas īpaši spožu, impulsu, laika strukturālu rentgenstaru radīšanai ārkārtīgi prasīgiem un, iespējams, vēl neizveidotiem eksperimentiem.
Pirmās ierīces
Sākotnēji šī starojuma radīšanai tika izmantoti lieces elektromagnēti paātrinātājos, bet dažreiz tika izmantotas citas specializētas ierīces, ievietošanas ierīces, lai radītu spēcīgāku apgaismojuma efektu. Sinhrotrona starojuma difrakcijas metodes (trešā paaudze) parasti ir atkarīgas no avota ierīcēm, kur uzglabāšanas gredzena taisnās sadaļas satur periodiskumagnētiskās struktūras (satur daudzus magnētus mainīgu N un S polu veidā), kas izraisa elektronu kustību sinusoidālā vai spirālveida ceļā. Tādējādi viena līkuma vietā daudzi desmiti vai simti "virpuļu" precīzi aprēķinātās pozīcijās pieskaita vai reizina kopējo stara intensitāti. Šīs ierīces sauc par wigglers vai undulators. Galvenā atšķirība starp undulatoru un viļņotāju ir to magnētiskā lauka intensitāte un novirzes amplitūda no elektronu tiešā ceļa. Visas šīs ierīces un mehānismi tagad tiek glabāti Sinhrotronu starojuma centrā (ASV).
Ekstrakcija
Akumulatorā ir caurumi, kas ļauj daļiņām atstāt starojuma fonu un sekot stara līnijai uz eksperimentētāja vakuuma kameru. Liels skaits šādu staru var nākt no modernām trešās paaudzes sinhrotronu starojuma ierīcēm.
Elektronus var iegūt no faktiskā paātrinātāja un uzglabāt papildu īpaši augsta vakuuma magnētiskajā krātuvē, no kurienes tos var iegūt (un kur tos reproducēt) daudzas reizes. Gredzenā esošajiem magnētiem arī atkārtoti jāsaspiež stars pret "Kulona spēkiem" (vai, vienkāršāk sakot, kosmosa lādiņiem), kas mēdz iznīcināt elektronu saišķus. Virziena maiņa ir paātrinājuma veids, jo elektroni daļiņu paātrinātājā izstaro starojumu ar lielu enerģiju un lielu paātrinājuma ātrumu. Parasti sinhrotrona starojuma spilgtums ir atkarīgs arī no tā paša ātruma.
