Синхротрондық сәулелену спектрі соншалықты үлкен емес. Яғни, оны тек бірнеше түрге бөлуге болады. Егер бөлшек релятивистік емес болса, онда мұндай сәулелену циклотрондық эмиссия деп аталады. Егер, керісінше, бөлшектер табиғаты бойынша релятивистік болса, онда олардың өзара әрекеттесу нәтижесінде пайда болатын сәулелер кейде ультрарелятивистік деп аталады. Синхронды сәулелену жасанды түрде (синхротрондарда немесе сақтау сақиналарында) немесе табиғи түрде магниттік өрістер арқылы жылдам қозғалатын электрондардың арқасында қол жеткізуге болады. Осылайша өндірілген сәулеленудің тән поляризациясы бар және түзілетін жиіліктер үздіксіз сәулелену деп те аталатын бүкіл электромагниттік спектрде әртүрлі болуы мүмкін.
Ашу
Бұл құбылыс 1946 жылы жасалған General Electric синхротрон генераторының атымен аталды. Оның бар екенін 1947 жылы мамырда ғалымдар Фрэнк Элдер, Анатолий Гуревич, Роберт Лангмюр және Герб жариялады. Поллок өзінің хатында «Синхротрондағы электрондардың сәулеленуі». Бірақ бұл тек теориялық жаңалық болды, сіз бұл құбылыстың алғашқы нақты бақылауы туралы төменде оқисыз.
Дереккөздер
Магниттік өріс әсерінен қисық жол бойымен қозғалуға мәжбүрленген электрондарды қоса алғанда, жоғары энергиялы бөлшектер үдеуде болғанда, синхротрондық сәулелену пайда болады. Бұл радиоантеннаға ұқсайды, бірақ теориялық тұрғыдан релятивистік жылдамдық Лоренц коэффициенті γ арқылы Доплер эффектісіне байланысты байқалатын жиілікті өзгертетіндігімен ерекшеленеді. Релятивистикалық ұзындықтың қысқаруы басқа γ факторымен байқалатын жиілікке соқтырады, осылайша рентгендік диапазондағы электрондарды жеделдететін резонанстық қуыстың ГГц жиілігін арттырады. Сәулелену күші релятивистік Лармор формуласымен, ал сәулеленетін электронға түсетін күш Абрахам-Лоренц-Дирак күшімен анықталады.
Басқа мүмкіндіктер
Сәулелену үлгісі изотропты диполь үлгісінен жоғары бағытталған сәуле конусына бұрмалануы мүмкін. Электрондық синхротрондық сәулелену – рентген сәулелерінің ең жарқын жасанды көзі.
Жазық үдеу геометриясы радиацияны орбита жазықтығында қараған кезде сызықты поляризацияланған және сол жазықтыққа сәл бұрышта қараған кезде дөңгелек поляризацияланған сияқты. Алайда амплитудасы мен жиілігі полярлық эклиптиканың ортасында орналасқан.
Синхротрондық сәулелену көзі сонымен қатар электромагниттік сәулеленудің (ЭМ) көзі болып табылады.ғылыми-техникалық мақсатқа арналған сақтау сақинасы. Бұл сәулеленуді сақтау сақиналары ғана емес, сонымен қатар басқа мамандандырылған бөлшектердің үдеткіштері, әдетте электрондарды жеделдетеді. Жоғары энергиялы электрон сәулесі пайда болғаннан кейін ол иілу магниттері және кірістіру құрылғылары (дульаторлар немесе виглерлер) сияқты көмекші компоненттерге бағытталады. Олар жоғары энергиялы электрондарды фотондарға түрлендіру үшін қажетті күшті магнит өрістерін, перпендикуляр сәулелерді қамтамасыз етеді.
Синхротронды сәулеленуді пайдалану
Синхротронды жарықтың негізгі қолданбалары конденсацияланған зат физикасы, материалтану, биология және медицина. Синхротрондық жарықты қолданатын тәжірибелердің көпшілігі электронды құрылымның суб-нанометрлік деңгейінен микрометр мен миллиметр деңгейіне дейінгі заттардың құрылымын зерттеумен байланысты, бұл медициналық бейнелеу үшін маңызды. Практикалық өнеркәсіптік қолданудың мысалы ретінде LIGA процесін пайдаланып микроқұрылымдарды өндіру болып табылады.
Синхротрондық сәулеленуді астрономиялық объектілер де жасайды, әдетте онда релятивистік электрондар магнит өрістері арқылы спираль (және демек жылдамдықты өзгертеді).
Тарих
Бұл сәулені алғаш рет 1956 жылы Джеффри Р. Бербидж Messier 87 ұшырған зымыраннан ашқан, ол оны 1953 жылы Иосиф Шкловскийдің болжамын растау ретінде қарастырған, бірақ оны 1953 жылы Ханнес Альфвен мен Николай Херлофсон алдын ала болжаған болатын. 1950. Күн жарқырауы бөлшектерді жылдамдатадыолар 1948 жылы Р. Джованолли ұсынған және 1952 жылы Пиддингтон сыни сипаттағандай осылай шығарылады.
Бос орын
Аса массивтік қара тесіктер гравитациялық үдеткіш иондар арқылы жасалған ағындарды магнит өрістерінің суперкорды «түтік тәрізді» полярлық аймақтары арқылы итеру арқылы синхротрондық сәулеленуді жасау үшін ұсынылған. Мұндай реактивті ұшақтар, олардың ең жақыны Messier 87, Хаббл телескопы арқылы біздің планеталық жақтаудан 6 × с (жарық жылдамдығынан алты есе) жиілікте қозғалатын суперлюминалды сигналдар ретінде анықталды. Бұл құбылыс ағындардың жарық жылдамдығына өте жақын және бақылаушыға өте аз бұрышпен қозғалуынан туындайды. Жоғары жылдамдықты ағындар өз жолының әрбір нүктесінде жарық шығаратындықтан, олар шығаратын жарық бақылаушыға ағынның өзінен тезірек жақындамайды. Жүздеген жылдар бойына тараған жарық осылайша бақылаушыға әлдеқайда қысқа уақыт кезеңінде (он немесе жиырма жыл) жетеді. Бұл құбылыста салыстырмалылықтың арнайы теориясының бұзылуы жоқ.
Жақында ≧25 ГэВ-қа дейінгі жарықтығы бар тұмандық гамма-сәулеленудің импульсті сәулеленуі анықталды, бұл пульсар айналасындағы күшті магнит өрісінде ұсталған электрондардың синхротрондық эмиссиясына байланысты болуы мүмкін. Синхротронды сәулелену маңызды астрономиялық көздер класы пульсарлы жел тұмандықтары немесе шаян тұмандығы және онымен байланысты пульсар архетиптік болып табылатын плериондар болып табылады. Шаян тұманындағы 0,1 және 1,0 МэВ арасындағы энергиядағы поляризация әдеттегі синхротрондық сәулелену болып табылады.
Есептеу және коллайдерлер туралы қысқаша
Осы тақырыптағы теңдеулерде жылдамдық өрісі деп аталатын бөлшектерді білдіретін арнайы терминдер немесе мәндер жиі жазылады. Бұл терминдер оның қозғалысының нөлдік немесе тұрақты жылдамдық құраушысының функциясы болып табылатын бөлшектің статикалық өрісінің әсерін білдіреді. Керісінше, екінші мүше көзден арақашықтықтың бірінші дәрежесінің кері шамасы ретінде төмендейді, ал кейбір мүшелер зарядтың үдеуіне байланысты өрістің құрамдас бөлігі болғандықтан үдеу өрісі немесе сәулелену өрісі деп аталады (жылдамдықты өзгерту).
Осылайша, сәулелену қуаты төртінші дәреженің энергиясы ретінде масштабталады. Бұл сәулелену электрон-позитронды дөңгелек коллайдердің энергиясын шектейді. Әдетте, протондық коллайдерлер оның орнына максималды магнит өрісімен шектеледі. Сондықтан, мысалы, протонның массасы электроннан 2000 есе көп болса да, Үлкен адрон коллайдерінің массалық энергия орталығы кез келген басқа бөлшектер үдеткішінен 70 есе жоғары.
Терминология
Әртүрлі ғылым салаларында терминдерді анықтаудың әртүрлі тәсілдері жиі болады. Өкінішке орай, рентген сәулелері саласында бірнеше терминдер «сәулелену» дегенді білдіреді. Кейбір авторлар бір кездері фотометриялық жарықтыққа сілтеме жасау үшін қолданылған немесе дұрыс емес пайдаланылған «жарықтық» терминін пайдаланады.радиометриялық сәулеленудің белгіленуі. Қарқындылық аудан бірлігіне шаққандағы қуат тығыздығын білдіреді, бірақ рентген сәулелері үшін ол әдетте жарқырауды білдіреді.
Болу механизмі
Синхротрондық сәулелену үдеткіштерде бөлшектер физикасы контекстінде қажетсіз энергия шығындарын тудыратын күтпеген қате ретінде немесе көптеген зертханалық қолданбалар үшін әдейі жасалған сәулелену көзі ретінде пайда болуы мүмкін. Әдетте гигаэлектронвольт диапазонында болатын соңғы энергияға жету үшін электрондар бірнеше қадаммен жоғары жылдамдыққа дейін үдетіледі. Электрондар күшті магнит өрісінің әсерінен тұйық жолмен қозғалуға мәжбүр болады. Ол радиоантеннаға ұқсайды, бірақ айырмашылығы бар, релятивистік жылдамдық Доплер эффектісіне байланысты байқалатын жиілікті өзгертеді. Релятивистік Лоренц жиырылуы гигагерц жиілігіне әсер етеді, осылайша оны рентгендік диапазонға электрондарды жеделдететін резонанстық қуыста көбейтеді. Салыстырмалылықтың тағы бір керемет әсері радиациялық үлгінің релятивистік емес теориядан күтілетін изотропты диполь үлгісінен өте бағытталған сәулелену конусына дейін бұрмалануы болып табылады. Бұл синхротрондық сәулелену дифракциясын рентген сәулелерін жасаудың ең жақсы тәсілі етеді. Тегіс үдеу геометриясы орбита жазықтығында қараған кезде радиацияны сызықты поляризациялайды және осы жазықтыққа сәл бұрышта қараған кезде дөңгелек поляризация жасайды.
Әртүрлі пайдалану
Пайдаланудың артықшылықтарыспектроскопия және дифракция үшін синхротрондық сәулеленуді 1960 және 1970 жылдардан бастап үнемі өсіп келе жатқан ғылыми қоғамдастық жүзеге асырды. Бастапқыда бөлшектер физикасы үшін үдеткіштер жасалды. «Паразиттік режим» синхротрондық сәулеленуді пайдаланды, мұнда иілу магниттік сәулеленуді арқалық түтіктерде қосымша тесіктерді бұрғылау арқылы алу керек болды. Синхротрондық жарық көзі ретінде енгізілген алғашқы сақтау сақинасы 1968 жылы алғаш рет іске қосылған Tantalus болды. Үдеткіш сәулеленудің қарқындылығы артып, оны қолдану перспективалары арта түскен сайын, оның қарқындылығын арттыратын құрылғылар бар сақиналарға салынды. Синхротронды сәулелену дифракциясы әдісі әу бастан жоғары сапалы рентген сәулелерін алу үшін жасалған және оңтайландырылған. Төртінші буын көздері қарастырылуда, олар өте күрделі және мүмкін әлі жасалмаған эксперименттер үшін ультра тамаша, импульстік, уақытпен белгіленген құрылымдық рентген сәулелерін жасауға арналған әртүрлі тұжырымдамаларды қамтиды.
Алғашқы құрылғылар
Алғашында бұл сәуле шығару үшін үдеткіштердегі иілу электромагниттері пайдаланылды, бірақ кейде күшті жарық әсерін жасау үшін басқа арнайы құрылғылар, кірістіру құрылғылары пайдаланылды. Синхротрондық сәулелену дифракциясының әдістері (үшінші ұрпақ) әдетте сақтау сақинасының түзу бөліктерінде мерзімдік бар бастапқы құрылғыларға байланысты.электрондардың синусоидалы немесе спиральды жолмен қозғалуына әкелетін магниттік құрылымдар (айнымалы N және S полюстері түріндегі көптеген магниттері бар). Осылайша, бір иілудің орнына дәл есептелген позициялардағы көптеген ондаған немесе жүздеген «бұралыстар» сәуленің жалпы қарқындылығын қосады немесе көбейтеді. Бұл құрылғылар вигглер немесе толқынды құрылғылар деп аталады. Толқындырғыш пен виглер арасындағы негізгі айырмашылық олардың магнит өрісінің қарқындылығы және электрондардың тура жолынан ауытқу амплитудасы болып табылады. Барлық осы құрылғылар мен механизмдер қазір Синхротрондық сәулелену орталығында (АҚШ) сақталады.
Шығару
Аккумуляторда бөлшектердің радиациялық фоннан шығуына және экспериментатордың вакуумдық камерасына сәуленің сызығымен жүруіне мүмкіндік беретін тесіктер бар. Мұндай сәулелердің көп саны заманауи үшінші буын синхротрондық сәулелену құрылғыларынан болуы мүмкін.
Электрондарды нақты үдеткіштен алуға және қосымша ультра жоғары вакуумды магниттік қоймада сақтауға болады. Сақинадағы магниттер сонымен қатар электрон шоғырларын жоюға бейім «кулондық күштерге» (немесе қарапайым, ғарыштық зарядтарға) қарсы сәулені қайта-қайта сығуы керек. Бағыттың өзгеруі - үдеу түрі, өйткені электрондар бөлшектердің үдеткішінде жоғары энергияларда және жоғары үдеу жылдамдығында сәуле шығарады. Әдетте, синхротрондық сәулеленудің жарықтығы да сол жылдамдыққа байланысты.
