Spektrum synchrotrónového žiarenia nie je také veľké. To znamená, že sa dá rozdeliť len na niekoľko typov. Ak je častica nerelativistická, potom sa takéto žiarenie nazýva cyklotrónová emisia. Ak sú na druhej strane častice relativistického charakteru, potom sa žiarenia vyplývajúce z ich interakcie niekedy nazývajú ultrarelativistické. Synchrónne žiarenie možno dosiahnuť buď umelo (v synchrotrónoch alebo akumulačných prstencoch) alebo prirodzene vďaka rýchlym elektrónom pohybujúcim sa magnetickými poľami. Takto produkované žiarenie má charakteristickú polarizáciu a generované frekvencie sa môžu meniť v celom elektromagnetickom spektre, nazývanom aj kontinuálne žiarenie.
Otvorenie
Tento jav bol pomenovaný po synchrotrónovom generátore General Electric postavenom v roku 1946. Jeho existenciu oznámili v máji 1947 vedci Frank Elder, Anatolij Gurevich, Robert Langmuir a HerbPollock vo svojom liste „Žiarenie z elektrónov v synchrotróne“. Ale to bol len teoretický objav, o prvom skutočnom pozorovaní tohto javu sa dočítate nižšie.
Zdroje
Keď sa častice s vysokou energiou zrýchľujú, vrátane elektrónov nútených pohybovať sa po zakrivenej dráhe magnetickým poľom, vzniká synchrotrónové žiarenie. Ide o obdobu rádiovej antény, avšak s tým rozdielom, že teoreticky relativistická rýchlosť zmení pozorovanú frekvenciu vplyvom Dopplerovho javu o Lorentzov koeficient γ. Skrátenie relativistickej dĺžky potom zasiahne frekvenciu pozorovanú ďalším faktorom γ, čím sa zvýši frekvencia GHz rezonančnej dutiny, ktorá urýchľuje elektróny v oblasti röntgenového žiarenia. Vyžiarený výkon je určený relativistickým Larmorovým vzorcom a sila na vyžarovaný elektrón je určená silou Abraham-Lorentz-Dirac.
Ďalšie funkcie
Štruktúra žiarenia môže byť skreslená z izotropného dipólového vzoru na vysoko nasmerovaný kužeľ žiarenia. Elektrónové synchrotrónové žiarenie je najjasnejším umelým zdrojom röntgenového žiarenia.
Zdá sa, že geometria rovinného zrýchlenia spôsobuje, že žiarenie je lineárne polarizované pri pohľade v rovine obežnej dráhy a kruhovo polarizované pri pohľade pod miernym uhlom k tejto rovine. Amplitúda a frekvencia sú však sústredené na polárnu ekliptiku.
Zdroj synchrotrónového žiarenia je zároveň zdrojom elektromagnetického žiarenia (EM), ktorý jeúložný krúžok určený na vedecké a technické účely. Toto žiarenie neprodukujú len akumulačné prstence, ale aj iné špecializované urýchľovače častíc, zvyčajne urýchľujúce elektróny. Akonáhle sa vytvorí vysokoenergetický elektrónový lúč, je nasmerovaný na pomocné komponenty, ako sú ohýbacie magnety a vkladacie zariadenia (vlny alebo wigglery). Poskytujú silné magnetické polia, kolmé lúče, ktoré sú potrebné na premenu vysokoenergetických elektrónov na fotóny.
Použitie synchrotrónového žiarenia
Hlavnými aplikáciami synchrotrónového svetla sú fyzika kondenzovaných látok, veda o materiáloch, biológia a medicína. Väčšina experimentov využívajúcich synchrotrónové svetlo súvisí so štúdiom štruktúry hmoty od subnanometrovej úrovne elektrónovej štruktúry až po úroveň mikrometra a milimetra, čo je dôležité pre medicínske zobrazovanie. Príkladom praktickej priemyselnej aplikácie je výroba mikroštruktúr pomocou procesu LIGA.
Synchrotrónové žiarenie generujú aj astronomické objekty, zvyčajne tam, kde relativistické elektróny špirálovite (a preto menia rýchlosť) cez magnetické polia.
História
Toto žiarenie prvýkrát objavil v rakete vypálenej Messierom 87 v roku 1956 Geoffrey R. Burbidge, ktorý to považoval za potvrdenie predpovede Iosifa Shklovského z roku 1953, no predpovedali ho už skôr Hannes Alfven a Nikolai Herlofson v r. 1950. Slnečné erupcie urýchľujú časticektoré emitujú týmto spôsobom, ako to navrhol R. Giovanolli v roku 1948 a kriticky to opísal Piddington v roku 1952.
Space
Supermasívne čierne diery sú navrhnuté na vytváranie synchrotrónového žiarenia tlačením výtryskov vytvorených gravitačne urýchľovanými iónmi cez superkordové "rúrkové" polárne oblasti magnetických polí. Takéto výtrysky, najbližšie z nich v Messier 87, boli identifikované Hubbleovým teleskopom ako superluminálne signály pohybujúce sa frekvenciou 6 × s (šesťnásobok rýchlosti svetla) z nášho planetárneho rámca. Tento jav je spôsobený tým, že prúdy sa pohybujú veľmi blízko rýchlosti svetla a vo veľmi malom uhle k pozorovateľovi. Pretože vysokorýchlostné prúdy vyžarujú svetlo v každom bode svojej dráhy, svetlo, ktoré vyžarujú, sa nepribližuje k pozorovateľovi oveľa rýchlejšie ako samotný prúd. Svetlo vyžarované počas stoviek rokov cestovania sa tak dostane k pozorovateľovi za oveľa kratší čas (desať alebo dvadsať rokov). V tomto fenoméne nedochádza k porušeniu špeciálnej teórie relativity.
Nedávno bola detekovaná impulzívna emisia gama žiarenia z hmloviny s jasnosťou až ≧25 GeV, pravdepodobne v dôsledku synchrotrónovej emisie elektrónov zachytených v silnom magnetickom poli okolo pulzaru. Triedou astronomických zdrojov, kde je dôležitá synchrotrónová emisia, sú hmloviny pulzarového vetra alebo plérióny, ktorých archetypálne sú Krabia hmlovina a jej pridružený pulzar. Polarizácia v Krabej hmlovine pri energiách medzi 0,1 a 1,0 MeV je typické synchrotrónové žiarenie.
Stručne o výpočte a zrážačoch
V rovniciach na túto tému sa často píšu špeciálne pojmy alebo hodnoty, ktoré symbolizujú častice, ktoré tvoria takzvané rýchlostné pole. Tieto pojmy predstavujú vplyv statického poľa častice, ktoré je funkciou zložky nulovej alebo konštantnej rýchlosti jej pohybu. Naopak, druhý člen odpadá ako prevrátená hodnota prvej mocniny vzdialenosti od zdroja a niektoré členy sa nazývajú akceleračné pole alebo pole žiarenia, pretože sú zložkami poľa v dôsledku zrýchlenia náboja (zmena rýchlosti).
Vyžiarený výkon sa teda meria ako energia štvrtej mocniny. Toto žiarenie obmedzuje energiu elektrón-pozitrónového kruhového urýchľovača. Typicky sú protónové urýchľovače namiesto toho obmedzené maximálnym magnetickým poľom. Preto má napríklad Veľký hadrónový urýchľovač energie ťažiska 70-krát vyššiu ako ktorýkoľvek iný urýchľovač častíc, aj keď je hmotnosť protónu 2000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu.
Terminológia
Rôzne oblasti vedy majú často rôzne spôsoby definovania pojmov. Žiaľ, v oblasti röntgenového žiarenia viacero pojmov znamená to isté ako „žiarenie“. Niektorí autori používajú termín „jas“, ktorý sa kedysi používal na označenie fotometrického jasu, alebo sa používal nesprávneoznačenie rádiometrického žiarenia. Intenzita znamená hustotu výkonu na jednotku plochy, ale pre röntgenové zdroje zvyčajne znamená brilantnosť.
Mechanizmus výskytu
Synchrotrónové žiarenie sa môže vyskytovať v urýchľovačoch buď ako nepredvídaná chyba spôsobujúca nežiaduce straty energie v kontexte fyziky častíc, alebo ako zámerne navrhnutý zdroj žiarenia pre mnohé laboratórne aplikácie. Elektróny sa urýchľujú na vysoké rýchlosti v niekoľkých krokoch, aby dosiahli konečnú energiu, ktorá je zvyčajne v rozsahu gigaelektrónvoltov. Elektróny sú nútené pohybovať sa po uzavretej dráhe silnými magnetickými poľami. Podobá sa rádiovej anténe, ale s tým rozdielom, že relativistická rýchlosť mení pozorovanú frekvenciu vplyvom Dopplerovho javu. Relativistická Lorentzova kontrakcia ovplyvňuje gigahertzovú frekvenciu, čím ju znásobuje v rezonančnej dutine, ktorá urýchľuje elektróny do oblasti röntgenového žiarenia. Ďalším dramatickým účinkom relativity je, že obrazec žiarenia je skreslený z izotropného dipólového obrazca očakávaného z nerelativistickej teórie na extrémne nasmerovaný kužeľ žiarenia. Vďaka tomu je difrakcia synchrotrónového žiarenia najlepším spôsobom vytvárania röntgenových lúčov. Plochá geometria zrýchlenia spôsobuje, že žiarenie je pri pohľade v rovine obežnej dráhy lineárne polarizované a pri pohľade pod miernym uhlom k tejto rovine vytvára kruhovú polarizáciu.
Rôzne využitie
Výhody používaniasynchrotrónové žiarenie pre spektroskopiu a difrakciu implementuje stále rastúca vedecká komunita od 60. a 70. rokov 20. storočia. Na začiatku boli urýchľovače vytvorené pre časticovú fyziku. „Parazitický režim“využíval synchrotrónové žiarenie, kde ohybové magnetické žiarenie muselo byť extrahované vyvŕtaním ďalších otvorov v trubiciach lúča. Prvým úložným prstencom predstaveným ako zdroj synchrotrónového svetla bol Tantalus, ktorý bol prvýkrát uvedený na trh v roku 1968. Keď sa žiarenie urýchľovača stalo intenzívnejším a jeho aplikácie sa stali sľubnejšími, do existujúcich prstencov boli zabudované zariadenia, ktoré zvýšili jeho intenzitu. Metóda difrakcie synchrotrónového žiarenia bola od začiatku vyvinutá a optimalizovaná na získanie vysokokvalitného röntgenového žiarenia. Uvažuje sa o zdrojoch štvrtej generácie, ktoré budú zahŕňať rôzne koncepty na vytváranie ultrabrilantných, pulzných, časovaných štrukturálnych röntgenových lúčov pre extrémne náročné a možno ešte nevytvorené experimenty.
Prvé zariadenia
Spočiatku sa na generovanie tohto žiarenia používali ohybové elektromagnety v urýchľovačoch, no niekedy sa na vytvorenie silnejšieho svetelného efektu používali aj iné špecializované zariadenia, vkladacie zariadenia. Metódy difrakcie synchrotrónového žiarenia (tretia generácia) zvyčajne závisia od zdrojových zariadení, kde priame časti akumulačného prstenca obsahujú periodickémagnetické štruktúry (obsahujúce veľa magnetov vo forme striedajúcich sa pólov N a S), ktoré spôsobujú pohyb elektrónov po sínusovej alebo špirálovej dráhe. Namiesto jediného ohybu teda množstvo desiatok či stoviek „vírov“v presne vypočítaných polohách pridáva alebo znásobuje celkovú intenzitu lúča. Tieto zariadenia sa nazývajú wigglery alebo undulátory. Hlavným rozdielom medzi undulátorom a wigglerom je intenzita ich magnetického poľa a amplitúda odchýlky od priamej dráhy elektrónov. Všetky tieto zariadenia a mechanizmy sú teraz uložené v Centre pre synchrotrónové žiarenie (USA).
extrakcia
Akumulátor má otvory, ktoré umožňujú časticiam opustiť pozadie žiarenia a sledovať líniu lúča do vákuovej komory experimentátora. Veľký počet takýchto lúčov môže pochádzať z moderných zariadení synchrotrónového žiarenia tretej generácie.
Elektróny je možné extrahovať zo skutočného urýchľovača a uložiť ich do pomocného magnetického úložiska s ultravysokým vákuom, odkiaľ ich možno extrahovať (a kde ich možno reprodukovať) veľakrát. Magnety v prstenci musia tiež opakovane stláčať lúč proti "Coulombovým silám" (alebo jednoduchšie, vesmírnym nábojom), ktoré majú tendenciu ničiť zväzky elektrónov. Zmena smeru je formou zrýchlenia, pretože elektróny vyžarujú žiarenie s vysokou energiou a vysokou rýchlosťou zrýchlenia v urýchľovači častíc. Od rovnakej rýchlosti spravidla závisí aj jas synchrotrónového žiarenia.
