Synkrotronisäteilyn spektri ei ole niin suuri. Eli se voidaan jakaa vain muutamaan tyyppiin. Jos hiukkanen ei ole relativistinen, tällaista säteilyä kutsutaan syklotroniemissioksi. Jos taas hiukkaset ovat luonteeltaan relativistisia, niin niiden vuorovaikutuksesta syntyviä säteilyjä kutsutaan joskus ultrarelativistiseksi. Synkroninen säteily voidaan saavuttaa joko keinotekoisesti (synkrotroneissa tai varastorenkaissa) tai luonnollisesti magneettikenttien läpi liikkuvien nopeiden elektronien ansiosta. Näin syntyvällä säteilyllä on tyypillinen polarisaatio, ja syntyneet taajuudet voivat vaihdella koko sähkömagneettisen spektrin yli, jota kutsutaan myös jatkuvaksi säteilyksi.
Avautuminen
Tämä ilmiö on nimetty vuonna 1946 rakennetun General Electricin synkrotronigeneraattorin mukaan. Sen olemassaolosta ilmoittivat toukokuussa 1947 tiedemiehet Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir ja Herb. Pollock kirjeessään "Säteily elektroneista synkrotronissa". Mutta tämä oli vain teoreettinen löytö, voit lukea tämän ilmiön ensimmäisestä todellisesta havainnosta alla.
Lähteet
Kun korkeaenergiset hiukkaset kiihtyvät, mukaan lukien elektronit, jotka magneettikentän pakottaa liikkumaan kaarevaa reittiä pitkin, synkrotronisäteilyä syntyy. Tämä on samanlainen kuin radioantenni, mutta sillä erolla, että teoriassa relativistinen nopeus muuttaa havaittua taajuutta Doppler-ilmiön vuoksi Lorentz-kertoimella γ. Relativistisen pituuden lyheneminen osuu sitten toisen tekijän γ havaitsemaan taajuuteen, mikä lisää sen resonanssiontelon taajuutta GHz, joka kiihdyttää elektroneja röntgensäteen alueella. Säteilyteho määräytyy relativistisella Larmorin kaavalla ja säteilytettyyn elektroniin kohdistuva voima Abraham-Lorentz-Dirac-voimalla.
Muut ominaisuudet
Säteilykuvio voidaan vääristää isotrooppisesta dipolikuviosta erittäin suunnatuksi säteilykartioksi. Elektronisynkrotronisäteily on kirkkain keinotekoinen röntgensäteiden lähde.
Tasokiihtyvyyden geometria näyttää tekevän säteilyn lineaarisesti polarisoiduksi, kun sitä tarkastellaan kiertoradan tasossa, ja ympyräpolarisoitua, kun sitä tarkastellaan pienessä kulmassa tuohon tasoon nähden. Amplitudi ja taajuus ovat kuitenkin keskittyneet napaekliptiikkaan.
Synkrotronisäteilyn lähde on myös sähkömagneettisen säteilyn (EM) lähde, joka ontieteellisiin ja teknisiin tarkoituksiin suunniteltu säilytysrengas. Tätä säteilyä tuottavat paitsi varastorenkaat, myös muut erikoistuneet hiukkaskiihdyttimet, yleensä kiihdyttävät elektronit. Kun suurienerginen elektronisuihku on kehitetty, se ohjataan apukomponentteihin, kuten taivutusmagneetteihin ja sisäänvientilaitteisiin (a alto- tai heilurit). Ne tarjoavat voimakkaita magneettikenttiä, kohtisuoraa sädettä, jotka ovat välttämättömiä suurienergisten elektronien muuntamiseksi fotoneiksi.
Synkrotronisäteilyn käyttö
Synkrotronivalon pääsovellukset ovat kondensoituneen aineen fysiikka, materiaalitiede, biologia ja lääketiede. Suurin osa synkrotronivalolla tehdyistä kokeista liittyy aineen rakenteen tutkimukseen elektronisen rakenteen subnanometritasolta mikrometrin ja millimetrin tasolle, mikä on tärkeää lääketieteellisen kuvantamisen kann alta. Esimerkki käytännön teollisesta sovelluksesta on mikrorakenteiden valmistus LIGA-prosessilla.
Synkrotronisäteilyä tuottavat myös tähtitieteelliset kohteet, joissa relativistiset elektronit kiertävät spiraalia (ja siten muuttavat nopeutta) magneettikenttien läpi.
Historia
Tämän säteilyn löysi ensimmäisen kerran Messier 87:n vuonna 1956 laukaisemasta raketista Geoffrey R. Burbidge, joka näki sen vahvistuksena Iosif Shklovskyn ennusteelle vuonna 1953, mutta Hannes Alfven ja Nikolai Herlofson ennustivat sen aiemmin vuonna 1956. 1950. Auringonpurkaukset kiihdyttävät hiukkasiajotka säteilevät tällä tavalla, kuten R. Giovanolli ehdotti vuonna 1948 ja kuvasi kriittisesti Piddington vuonna 1952.
Space
Supermassiivisten mustien aukkojen ehdotetaan luovan synkrotronisäteilyä työntämällä gravitaatiokiihdyttävien ionien synnyttämiä suihkuja magneettikenttien superjohdotettujen "putkimaisten" napa-alueiden läpi. Hubble-teleskooppi identifioi tällaiset suihkut, joista lähimmät ovat Messier 87:ssä, superluminaalisiksi signaaleiksi, jotka liikkuvat 6 × s (kuusi kertaa valon nopeuden) taajuudella planeettamme kehyksestä. Tämä ilmiö johtuu siitä, että suihkut kulkevat hyvin lähellä valonnopeutta ja hyvin pienessä kulmassa havaitsijaan nähden. Koska nopeat suihkut lähettävät valoa jokaisessa pisteessä polkunsa varrella, niiden lähettämä valo ei lähesty tarkkailijaa paljon nopeammin kuin suihku itse. Satojen matkavuosien aikana säteilevä valo saavuttaa näin ollen tarkkailijan paljon lyhyemmässä ajassa (kymmenessä tai kahdessakymmenessä vuodessa). Tämä ilmiö ei riko erityistä suhteellisuusteoriaa.
Sumusta, jonka kirkkaus on jopa ≧25 GeV, on hiljattain havaittu impulsiivinen gammasäteilyn emissio, mikä johtuu luultavasti pulsarin ympärillä olevaan vahvaan magneettikenttään loukkuun jääneiden elektronien synkrotronisäteilystä. Eräs tähtitieteellisten lähteiden luokka, jossa synkrotroniemissio on tärkeä, ovat pulsar-tuulesumut eli plerionit, joista rapu-sumu ja siihen liittyvä pulsari ovat arkkityyppisiä. Polarisaatio rapu-sumussa energioissa 0,1–1,0 MeV on tyypillistä synkrotronisäteilyä.
Lyhyesti laskennasta ja törmäyslaitteista
Tätä aihetta koskevissa yhtälöissä kirjoitetaan usein erikoistermejä tai arvoja, jotka symboloivat hiukkasia, jotka muodostavat niin kutsutun nopeuskentän. Nämä termit edustavat hiukkasen staattisen kentän vaikutusta, joka on sen liikkeen nolla- tai vakionopeuskomponentin funktio. Päinvastoin, toinen termi putoaa lähteen etäisyyden ensimmäisen tehon käänteislukuna, ja joitain termejä kutsutaan kiihtyvyyskentiksi tai säteilykentiksi, koska ne ovat kentän komponentteja varauksen kiihtyvyyden vuoksi (nopeuden muutos).
Siten säteilyteho skaalataan neljännen tehon energiaksi. Tämä säteily rajoittaa elektroni-positronin ympyrätörmäimen energiaa. Tyypillisesti protonitörmäimiä rajoittaa sen sijaan suurin magneettikenttä. Siksi esimerkiksi Large Hadron Colliderin massaenergian keskus on 70 kertaa suurempi kuin minkään muun hiukkaskiihdyttimen, vaikka protonin massa olisi 2000 kertaa elektronin massa.
Terminologia
Eri tieteenaloilla on usein erilaisia tapoja määritellä termit. Valitettavasti röntgensäteiden alalla useat termit tarkoittavat samaa kuin "säteily". Jotkut kirjoittajat käyttävät termiä "kirkkaus", jota käytettiin kerran viittaamaan fotometriseen kirkkauteen, tai sitä käytettiin väärinradiometrisen säteilyn nimitykset. Intensiteetti tarkoittaa tehotiheyttä pinta-alayksikköä kohti, mutta röntgenlähteille se tarkoittaa yleensä kirkkautta.
Tapahtumamekanismi
Synkrotronisäteilyä voi esiintyä kiihdyttimissä joko odottamattomana virheenä, joka aiheuttaa ei-toivottuja energiahäviöitä hiukkasfysiikan yhteydessä, tai tarkoituksella suunniteltuna säteilylähteenä lukuisiin laboratoriotarkoituksiin. Elektronit kiihdytetään suuriin nopeuksiin useissa vaiheissa lopullisen energian saavuttamiseksi, joka on yleensä gigaelektronivolttialueella. Voimakkaat magneettikentät pakottavat elektronit liikkumaan suljetulla polulla. Se on samanlainen kuin radioantenni, mutta sillä erolla, että relativistinen nopeus muuttaa havaittua taajuutta Doppler-ilmiön vuoksi. Relativistinen Lorentzin supistuminen vaikuttaa gigahertsin taajuuteen ja siten moninkertaistaa sen resonanssiontelossa, joka kiihdyttää elektroneja röntgensäteen alueelle. Toinen suhteellisuusteorian dramaattinen vaikutus on se, että säteilykuvio vääristyy ei-relativistisesta teoriasta odotetusta isotrooppisesta dipolikuviosta äärimmäisen suunnattuun säteilykartioon. Tämä tekee synkrotronisäteilyn diffraktiosta parhaan tavan luoda röntgensäteitä. Tasainen kiihtyvyysgeometria tekee säteilystä lineaarisesti polarisoidun kiertoradan tasossa katsottuna ja luo ympyräpolarisaation, kun sitä tarkastellaan pienessä kulmassa tähän tasoon nähden.
Monikäyttöinen
Käyttämisen edutYhä kasvava tiedeyhteisö on käyttänyt synkrotronisäteilyä spektroskopiaan ja diffraktioon 1960- ja 1970-luvuilta lähtien. Alussa kiihdyttimiä luotiin hiukkasfysiikkaa varten. "Parasiittitilassa" käytettiin synkrotronisäteilyä, jossa taivutusmagneettista säteilyä jouduttiin poistamaan poraamalla lisäreikiä palkkiputkiin. Ensimmäinen synkrotronivalonlähteenä esitelty tallennusrengas oli Tantalus, joka lanseerattiin ensimmäisen kerran vuonna 1968. Kiihdytinsäteilyn voimistuessa ja sen sovellusten tullessa lupaavammiksi, olemassa oleviin renkaisiin rakennettiin sen intensiteettiä tehostavia laitteita. Synkrotronisäteilyn diffraktiomenetelmää kehitettiin ja optimoitiin alusta alkaen korkealaatuisten röntgensäteiden saamiseksi. Neljännen sukupolven lähteitä harkitaan, jotka sisältävät erilaisia konsepteja erittäin loistavien, pulssitoimisten, ajastettujen rakenteellisten röntgensäteiden luomiseksi erittäin vaativiin ja ehkä vielä luomattomiin kokeisiin.
Ensimmäiset laitteet
Aluksi tämän säteilyn tuottamiseen käytettiin kiihdyttimissä olevia taivutussähkömagneetteja, mutta toisinaan muita erikoislaitteita, asennuslaitteita, käytettiin vahvemman valaistuksen aikaansaamiseksi. Synkrotronisäteilyn diffraktiomenetelmät (kolmas sukupolvi) riippuvat yleensä lähdelaitteista, joissa tallennusrenkaan suorat osat sisältävät jaksollisiamagneettiset rakenteet (sisältävät monia magneetteja vuorotellen N- ja S-napojen muodossa), jotka saavat elektronit liikkumaan sini- tai spiraalireitillä. Siten yhden taivutuksen sijasta monet kymmenet tai sadat "pyörteet" tarkasti lasketuissa asemissa lisäävät tai kertovat säteen kokonaisintensiteetin. Näitä laitteita kutsutaan wigglereiksi tai a altoilijoiksi. Suurin ero a altolaitteen ja heiluttimen välillä on niiden magneettikentän intensiteetti ja elektronien suorasta reitistä poikkeaman amplitudi. Kaikki nämä laitteet ja mekanismit on nyt tallennettu Center for Synchrotron Radiation (USA).
Uuto
Akussa on reikiä, jotka sallivat hiukkasten poistua säteilytaustasta ja seurata säteen linjaa kokeen suorittajan tyhjiökammioon. Suuri määrä tällaisia säteitä voi olla peräisin nykyaikaisista kolmannen sukupolven synkrotronisäteilylaitteista.
Elektroneja voidaan erottaa varsinaisesta kiihdyttimestä ja varastoida ylimääräiseen ultrakorkean tyhjiömagneettiseen varastoon, josta ne voidaan poimia (ja josta ne voidaan toistaa) useita kertoja. Renkaan magneettien täytyy myös toistuvasti puristaa säde uudelleen "Coulombin voimia" (tai yksinkertaisemmin sanottuna avaruusvarauksia) vastaan, jotka pyrkivät tuhoamaan elektronikimput. Suunnanmuutos on kiihdytyksen muoto, koska elektronit lähettävät säteilyä suurilla energioilla ja suurilla kiihtyvyysnopeuksilla hiukkaskiihdyttimessä. Pääsääntöisesti synkrotronisäteilyn kirkkaus riippuu myös samasta nopeudesta.
