Die spektrum van sinkrotronbestraling is nie so groot nie. Dit wil sê, dit kan slegs in 'n paar tipes verdeel word. As die deeltjie nie-relativisties is, word sulke straling siklotronemissie genoem. As die deeltjies aan die ander kant relativisties van aard is, word die bestraling wat uit hul interaksie voortspruit soms ultrarelativisties genoem. Sinchroniese bestraling kan óf kunsmatig (in sinchrotrone of stoorringe) bewerkstellig word óf natuurlik as gevolg van vinnige elektrone wat deur magnetiese velde beweeg. Die straling wat so geproduseer word, het 'n kenmerkende polarisasie, en die frekwensies wat gegenereer word, kan oor die hele elektromagnetiese spektrum verskil, ook genoem kontinuumstraling.
Opening
Hierdie verskynsel is vernoem na 'n General Electric-sinchrotrongenerator wat in 1946 gebou is. Die bestaan daarvan is in Mei 1947 aangekondig deur wetenskaplikes Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir en HerbPollock in sy brief "Bestraling van elektrone in die sinchrotron". Maar dit was slegs 'n teoretiese ontdekking, jy sal hieronder lees oor die eerste werklike waarneming van hierdie verskynsel.
Bronne
Wanneer hoë-energiedeeltjies in versnelling is, insluitend elektrone wat deur 'n magnetiese veld gedwing word om langs 'n geboë pad te beweeg, word sinkrotronstraling geproduseer. Dit is soortgelyk aan 'n radio-antenna, maar met die verskil dat teoreties die relativistiese spoed die waargenome frekwensie sal verander as gevolg van die Doppler-effek deur die Lorentz-koëffisiënt γ. Die verkorting van die relativistiese lengte tref dan die frekwensie wat deur 'n ander faktor γ waargeneem word, en verhoog daardeur die frekwensie GHz van die resonante holte wat die elektrone in die X-straalreeks versnel. Die uitgestraalde krag word bepaal deur die relativistiese Larmor-formule, en die krag op die uitgestraalde elektron word bepaal deur die Abraham-Lorentz-Dirac-krag.
Ander kenmerke
Die stralingspatroon kan van 'n isotropiese dipoolpatroon in 'n hoogs gerigte stralingskegel vervorm word. Elektronsinkrotronbestraling is die helderste kunsmatige bron van X-strale.
Dit lyk asof die meetkunde van planêre versnelling die straling lineêr gepolariseer maak wanneer dit in die vlak van die wentelbaan gesien word en sirkelvormig gepolariseer as dit teen 'n effense hoek met daardie vlak gesien word. Amplitude en frekwensie is egter gesentreer op die polêre ekliptika.
Die bron van sinkrotronstraling is ook 'n bron van elektromagnetiese straling (EM), wat'n stoorring wat ontwerp is vir wetenskaplike en tegniese doeleindes. Hierdie straling word nie net deur stoorringe geproduseer nie, maar ook deur ander gespesialiseerde deeltjieversnellers, gewoonlik versnellende elektrone. Sodra 'n hoë-energie-elektronstraal gegenereer is, word dit na hulpkomponente soos buigmagnete en invoegtoestelle (golwende of wigglers) gerig. Hulle verskaf sterk magnetiese velde, loodregte strale, wat nodig is om hoë-energie elektrone in fotone om te skakel.
Gebruik van sinchrotronstraling
Die hooftoepassings van sinkrotronlig is gekondenseerde materie-fisika, materiaalwetenskap, biologie en medisyne. Die meeste van die eksperimente wat sinkrotronlig gebruik, hou verband met die studie van die struktuur van materie vanaf die sub-nanometervlak van elektroniese struktuur tot die vlak van mikrometer en millimeter, wat belangrik is vir mediese beeldvorming. 'n Voorbeeld van 'n praktiese industriële toepassing is die vervaardiging van mikrostrukture deur die LIGA-proses te gebruik.
Sinkrotronbestraling word ook deur astronomiese voorwerpe gegenereer, gewoonlik waar relativistiese elektrone deur magnetiese velde spiraal (en dus spoed verander) deur magnetiese velde.
Geskiedenis
Hierdie bestraling is die eerste keer ontdek in 'n vuurpyl wat in 1956 deur Messier 87 afgevuur is deur Geoffrey R. Burbidge, wat dit gesien het as 'n bevestiging van Iosif Shklovsky se voorspelling in 1953, maar dit is vroeër voorspel deur Hannes Alfven en Nikolai Herlofson in 1950. Sonvlamme versnel deeltjieswat op hierdie manier uitstraal, soos voorgestel deur R. Giovanoli in 1948 en krities beskryf deur Piddington in 1952.
Space
Supermassiewe swart gate word voorgestel om sinkrotronbestraling te skep deur strale wat deur gravitasieversnellende ione geskep word, deur superkoorde "buisvormige" poolstreke van magnetiese velde te stoot. Sulke strale, die naaste aan hulle in Messier 87, is deur die Hubble-teleskoop geïdentifiseer as superluminale seine wat teen 'n frekwensie van 6 × s (ses keer die spoed van lig) vanaf ons planetêre raam beweeg. Hierdie verskynsel word veroorsaak deur die strale wat baie naby aan die spoed van lig beweeg en teen 'n baie klein hoek met die waarnemer. Omdat die hoëspoedstralers lig op elke punt langs hul pad uitstraal, nader die lig wat hulle uitstraal die waarnemer nie veel vinniger as die straal self nie. Lig wat oor honderde jare se reis uitgestraal word, bereik dus die waarnemer oor 'n baie korter tydperk (tien of twintig jaar). Daar is geen skending van die spesiale relatiwiteitsteorie in hierdie verskynsel nie.
'n Impulsiewe emissie van gammastraling vanaf 'n newel met 'n helderheid van tot ≧25 GeV is onlangs opgespoor, waarskynlik as gevolg van sinkrotronemissie deur elektrone wat in 'n sterk magnetiese veld om die pulsar vasgevang is.’n Klas astronomiese bronne waar sinkrotronemissie belangrik is, is pulsarwindnewels, of plerions, waarvan die Krapnewel en sy gepaardgaande pulsar argetipies is. Polarisasie in die Krapnewel by energieë tussen 0,1 en 1,0 MeV is tipiese sinkrotronstraling.
Kortliks oor berekening en botsers
In vergelykings oor hierdie onderwerp word spesiale terme of waardes dikwels geskryf, wat die deeltjies simboliseer waaruit die sogenaamde snelheidsveld bestaan. Hierdie terme verteenwoordig die effek van die deeltjie se statiese veld, wat 'n funksie is van die nul- of konstante snelheidskomponent van sy beweging. Inteendeel, die tweede term val af as die wederkerigheid van die eerste mag van die afstand vanaf die bron, en sommige terme word die versnellingsveld of die stralingsveld genoem omdat hulle komponente van die veld is as gevolg van die versnelling van die lading (verandering in spoed).
Dus, die uitgestraalde drywing word geskaal as 'n energie van die vierde mag. Hierdie straling beperk die energie van die elektron-positron-sirkulêre botser. Tipies word protonbotsers eerder beperk deur die maksimum magnetiese veld. Daarom, byvoorbeeld, het die Large Hadron Collider 'n massamiddelpunt-energie 70 keer hoër as enige ander deeltjieversneller, selfs al is die massa van 'n proton 2000 keer dié van 'n elektron.
Terminologie
Verskillende velde van wetenskap het dikwels verskillende maniere om terme te definieer. Ongelukkig beteken verskeie terme op die gebied van X-strale dieselfde as "bestraling". Sommige skrywers gebruik die term "helderheid", wat eens gebruik is om na fotometriese helderheid te verwys, of verkeerd gebruik is virbenamings van radiometriese straling. Intensiteit beteken drywingsdigtheid per oppervlakte-eenheid, maar vir X-straalbronne beteken dit gewoonlik briljantheid.
Meganisme van voorkoms
Sinchrotronbestraling kan in versnellers voorkom as 'n onvoorsiene fout, wat ongewenste energieverliese in die konteks van deeltjiefisika veroorsaak, of as 'n doelbewus ontwerpte bestralingsbron vir talle laboratoriumtoepassings. Die elektrone word in verskeie stappe tot hoë spoed versnel om 'n finale energie te bereik wat gewoonlik in die giga-elektronvolt-reeks is. Elektrone word deur sterk magnetiese velde gedwing om in 'n geslote pad te beweeg. Dit is soortgelyk aan 'n radio-antenna, maar met die verskil dat die relativistiese spoed die waargenome frekwensie verander as gevolg van die Doppler-effek. Relativistiese Lorentz-sametrekking beïnvloed die gigahertz-frekwensie en vermenigvuldig dit daardeur in 'n resonante holte wat elektrone in die X-straalreeks versnel. Nog 'n dramatiese effek van relatiwiteit is dat die stralingspatroon verwring word van die isotropiese dipoolpatroon wat van nie-relativistiese teorie verwag word na 'n uiters gerigte stralingskegel. Dit maak sinchrotronbestralingsdiffraksie die beste manier om X-strale te skep. Die plat versnellingsgeometrie maak die straling lineêr gepolariseer wanneer dit in die vlak van die wentelbaan gesien word en skep sirkelpolarisasie wanneer dit teen 'n effense hoek met hierdie vlak gesien word.
Verskeie gebruik
Voordele van gebruiksinkrotronbestraling vir spektroskopie en diffraksie is sedert die 1960's en 1970's deur 'n steeds groeiende wetenskaplike gemeenskap geïmplementeer. Aan die begin is versnellers vir partikelfisika geskep. Die "parasitiese modus" het sinchrotronstraling gebruik, waar die buigende magnetiese straling onttrek moes word deur bykomende gate in die balkbuise te boor. Die eerste stoorring wat as 'n sinchrotron-ligbron bekend gestel is, was Tantalus, wat die eerste keer in 1968 bekend gestel is. Soos die versnellerbestraling meer intens geword het en die toepassings daarvan meer belowend geword het, is toestelle wat die intensiteit daarvan verhoog het, in bestaande ringe ingebou. Die sinchrotron straling diffraksie metode is van die begin af ontwikkel en geoptimaliseer om hoë kwaliteit X-strale te verkry. Vierde generasie bronne word oorweeg, wat verskeie konsepte sal insluit vir die skep van ultra-briljante, gepulseerde, tydige strukturele X-strale vir uiters veeleisende en dalk nog ongeskepte eksperimente.
Eerste toestelle
Aanvanklik is buigende elektromagnete in versnellers gebruik om hierdie straling op te wek, maar ander gespesialiseerde toestelle, invoegtoestelle, is soms gebruik om 'n sterker beligtingseffek te skep. Metodes van sinchrotronstralingsdiffraksie (derde generasie) hang gewoonlik af van brontoestelle, waar die reguit dele van die stoorring periodiekemagnetiese strukture (wat baie magnete in die vorm van afwisselende N- en S-pole bevat) wat veroorsaak dat elektrone in 'n sinusvormige of spiraalvormige pad beweeg. Dus, in plaas van 'n enkele buiging, voeg baie tiene of honderde "swervels" in presies berekende posisies die algehele intensiteit van die balk by of vermenigvuldig. Hierdie toestelle word wigglers of golwende genoem. Die belangrikste verskil tussen 'n golwende en 'n wikkelaar is die intensiteit van hul magnetiese veld en die amplitude van die afwyking van die direkte pad van die elektrone. Al hierdie toestelle en meganismes word nou by die Sentrum vir Sinchrotron Bestraling (VSA) gestoor.
Extraction
Die akkumulator het gate wat deeltjies toelaat om die bestralingsagtergrond te verlaat en die lyn van die straal na die eksperimenteerder se vakuumkamer te volg. 'n Groot aantal sulke strale kan van moderne derdegenerasie-sinkrotronbestralingstoestelle kom.
Elektrone kan uit die werklike versneller onttrek word en in 'n hulp ultrahoë vakuum magnetiese stoor gestoor word, vanwaar hulle onttrek kan word (en waar hulle gereproduseer kan word) 'n groot aantal kere. Die magnete in die ring moet ook die straal herhaaldelik hersaamdruk teen die "Coulomb-kragte" (of, eenvoudiger, ruimteladings) wat geneig is om die elektronbundels te vernietig. Rigtingsverandering is 'n vorm van versnelling, want elektrone straal straling uit teen hoë energieë en hoë versnellingsspoed in 'n deeltjieversneller. As 'n reël hang die helderheid van sinkrotronstraling ook af van dieselfde spoed.
