Spektrum af synkrotronstråling er ikke så stort. Det vil sige, at den kun kan opdeles i nogle få typer. Hvis partiklen er ikke-relativistisk, kaldes en sådan stråling cyklotronemission. Hvis partiklerne på den anden side er relativistiske af natur, så kaldes de strålinger, der følger af deres interaktion, nogle gange ultrarelativistiske. Synkron stråling kan opnås enten kunstigt (i synkrotroner eller lagerringe) eller naturligt på grund af hurtige elektroner, der bevæger sig gennem magnetfelter. Den således producerede stråling har en karakteristisk polarisering, og de genererede frekvenser kan variere over hele det elektromagnetiske spektrum, også kaldet kontinuumstråling.
Åbning
Dette fænomen blev opkaldt efter en General Electric synkrotrongenerator bygget i 1946. Dens eksistens blev annonceret i maj 1947 af videnskabsmændene Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir og HerbPollock i sit brev "Stråling fra elektroner i synkrotronen". Men dette var kun en teoretisk opdagelse, du vil læse om den første virkelige observation af dette fænomen nedenfor.
Kilder
Når højenergipartikler er i acceleration, inklusive elektroner tvunget til at bevæge sig langs en buet bane af et magnetfelt, produceres synkrotronstråling. Dette svarer til en radioantenne, men med den forskel, at den relativistiske hastighed teoretisk vil ændre den observerede frekvens på grund af Doppler-effekten med Lorentz-koefficienten γ. Forkortelsen af den relativistiske længde rammer så frekvensen observeret af en anden faktor γ og øger derved frekvensen GHz af resonanshulrummet, der accelererer elektronerne i røntgenområdet. Den udstrålede kraft bestemmes af den relativistiske Larmor-formel, og kraften på den udstrålede elektron bestemmes af Abraham-Lorentz-Dirac-kraften.
Andre funktioner
Strålingsmønsteret kan forvrænges fra et isotropt dipolmønster til en stærkt rettet strålingskegle. Elektronsynkrotronstråling er den lyseste kunstige kilde til røntgenstråler.
Geometrien af planaccelerationen ser ud til at gøre strålingen lineært polariseret, når den ses i kredsløbets plan, og cirkulært polariseret, når den ses i en lille vinkel i forhold til dette plan. Amplitude og frekvens er dog centreret om den polære ekliptika.
Kilden til synkrotronstråling er også en kilde til elektromagnetisk stråling (EM), som eren opbevaringsring designet til videnskabelige og tekniske formål. Denne stråling produceres ikke kun af lagerringe, men også af andre specialiserede partikelacceleratorer, norm alt accelererende elektroner. Når en højenergielektronstråle er genereret, rettes den mod hjælpekomponenter såsom bøjningsmagneter og indføringsanordninger (undulatorer eller wigglere). De giver stærke magnetiske felter, vinkelrette stråler, som er nødvendige for at omdanne højenergielektroner til fotoner.
Brug af synkrotronstråling
De vigtigste anvendelser af synkrotronlys er fysik af kondenseret stof, materialevidenskab, biologi og medicin. De fleste af eksperimenterne med synkrotronlys er relateret til studiet af stofstrukturen fra subnanometerniveauet af elektronisk struktur til niveauet mikrometer og millimeter, hvilket er vigtigt for medicinsk billeddannelse. Et eksempel på en praktisk industriel anvendelse er produktionen af mikrostrukturer ved hjælp af LIGA-processen.
Synkrotronstråling genereres også af astronomiske objekter, norm alt hvor relativistiske elektroner spiraler (og derfor ændrer hastighed) gennem magnetiske felter.
Historie
Denne stråling blev først opdaget i en raket affyret af Messier 87 i 1956 af Geoffrey R. Burbidge, der så det som en bekræftelse af Iosif Shklovskys forudsigelse i 1953, men den blev tidligere forudsagt af Hannes Alfven og Nikolai Herlofson i 1950. Soludbrud fremskynder partiklersom udsender på denne måde, som foreslået af R. Giovanoli i 1948 og kritisk beskrevet af Piddington i 1952.
Space
Supermassive sorte huller foreslås for at skabe synkrotronstråling ved at skubbe jetfly skabt af gravitationsaccelererende ioner gennem superstrengede "rørformede" polære områder af magnetiske felter. Sådanne jetfly, de nærmeste af dem i Messier 87, blev identificeret af Hubble-teleskopet som superluminale signaler, der bevægede sig med en frekvens på 6 × s (seks gange lysets hastighed) fra vores planetariske ramme. Dette fænomen skyldes, at jetflyene bevæger sig meget tæt på lysets hastighed og i en meget lille vinkel i forhold til observatøren. Fordi højhastigheds-jetflyene udsender lys på hvert punkt langs deres vej, nærmer det lys, de udsender, ikke observatøren meget hurtigere end selve jetflyet. Lys, der udsendes over hundreder af års rejse, når således observatøren over en meget kortere periode (ti eller tyve år). Der er ingen krænkelse af den særlige relativitetsteori i dette fænomen.
En impulsiv emission af gammastråling fra en tåge med en lysstyrke på op til ≧25 GeV er for nylig blevet detekteret, sandsynligvis på grund af synkrotronemission fra elektroner fanget i et stærkt magnetfelt omkring pulsaren. En klasse af astronomiske kilder, hvor synkrotronemission er vigtig, er pulsarvindtåger eller plerioner, hvoraf Krabbetågen og dens tilhørende pulsar er arketypiske. Polarisering i Krabbetågen ved energier mellem 0,1 og 1,0 MeV er typisk synkrotronstråling.
Kort om beregning og kolliderer
I ligninger om dette emne er der ofte skrevet specielle termer eller værdier, der symboliserer de partikler, der udgør det såkaldte hastighedsfelt. Disse udtryk repræsenterer effekten af partiklens statiske felt, som er en funktion af nul- eller konstanthastighedskomponenten af dens bevægelse. Tværtimod falder det andet led af som den reciproke af den første potens af afstanden fra kilden, og nogle udtryk kaldes accelerationsfeltet eller strålingsfeltet, fordi de er komponenter i feltet på grund af ladningens acceleration (ændring i hastighed).
Den udstrålede effekt skaleres således som en energi i fjerde potens. Denne stråling begrænser energien af elektron-positron cirkulær kollideren. Typisk er protonkollidere i stedet begrænset af det maksimale magnetfelt. Derfor har Large Hadron Collider f.eks. et massecenterenergi, der er 70 gange højere end nogen anden partikelaccelerator, selvom massen af en proton er 2000 gange en elektrons masse.
Terminologi
Forskellige videnskabsområder har ofte forskellige måder at definere begreber på. På røntgenområdet betyder flere begreber desværre det samme som "stråling". Nogle forfattere bruger udtrykket "lysstyrke", som engang blev brugt til at henvise til fotometrisk lysstyrke, eller blev brugt forkert tilbetegnelser for radiometrisk stråling. Intensitet betyder effekttæthed pr. arealenhed, men for røntgenkilder betyder det norm alt glans.
Forekomstmekanisme
Synkrotronstråling kan forekomme i acceleratorer enten som en uforudset fejl, der forårsager uønskede energitab i forbindelse med partikelfysik, eller som en bevidst designet strålingskilde til adskillige laboratorieapplikationer. Elektronerne accelereres til høje hastigheder i flere trin for at nå en endelig energi, der norm alt er i gigaelektronvoltområdet. Elektroner tvinges til at bevæge sig i en lukket bane af stærke magnetfelter. Det ligner en radioantenne, men med den forskel, at den relativistiske hastighed ændrer den observerede frekvens på grund af Doppler-effekten. Relativistisk Lorentz-kontraktion påvirker gigahertz-frekvensen og multiplicerer den derved i et resonanshulrum, der accelererer elektroner ind i røntgenområdet. En anden dramatisk effekt af relativitetsteorien er, at strålingsmønsteret forvrænges fra det isotrope dipolmønster, der forventes fra ikke-relativistisk teori, til en ekstremt rettet strålingskegle. Dette gør synkrotronstrålingsdiffraktion til den bedste måde at skabe røntgenstråler på. Den flade accelerationsgeometri gør strålingen lineært polariseret, når den ses i kredsløbets plan, og skaber cirkulær polarisering, når den ses i en lille vinkel i forhold til dette plan.
Forskellige anvendelser
Fordele ved at brugesynkrotronstråling til spektroskopi og diffraktion er blevet implementeret af et stadigt voksende videnskabeligt samfund siden 1960'erne og 1970'erne. I begyndelsen blev der skabt acceleratorer til partikelfysik. Den "parasitiske tilstand" brugte synkrotronstråling, hvor den bøjede magnetiske stråling skulle udvindes ved at bore yderligere huller i strålerørene. Den første lagerring introduceret som en synkrotron lyskilde var Tantalus, som først blev lanceret i 1968. Efterhånden som acceleratorstrålingen blev mere intens og dens anvendelser blev mere lovende, blev enheder, der forbedrede dens intensitet, indbygget i eksisterende ringe. Synkrotronstrålingsdiffraktionsmetoden blev udviklet og optimeret fra begyndelsen for at opnå røntgenstråler af høj kvalitet. Fjerde generations kilder overvejes, som vil omfatte forskellige koncepter til at skabe ultra-strålende, pulserede, tidsbestemte strukturelle røntgenstråler til ekstremt krævende og måske endnu uskabte eksperimenter.
Første enheder
Til at begynde med blev bøjede elektromagneter i acceleratorer brugt til at generere denne stråling, men andre specialiserede enheder, indsættelsesanordninger, blev nogle gange brugt til at skabe en stærkere lyseffekt. Metoder til synkrotronstrålingsdiffraktion (tredje generation) afhænger norm alt af kildeenheder, hvor de lige dele af lagerringen indeholder periodiskemagnetiske strukturer (indeholdende mange magneter i form af skiftende N- og S-poler), der får elektroner til at bevæge sig i en sinusformet eller spiralformet bane. I stedet for en enkelt bøjning tilføjer eller multiplicerer mange tiere eller hundredvis af "hvirvler" i præcist beregnede positioner strålens samlede intensitet. Disse enheder kaldes wigglers eller undulatorer. Den største forskel mellem en undulator og en wiggler er intensiteten af deres magnetfelt og amplituden af afvigelsen fra elektronernes direkte vej. Alle disse enheder og mekanismer er nu gemt hos Center for Synchrotron Radiation (USA).
Extraction
Akumulatoren har huller, der gør det muligt for partikler at forlade strålingsbaggrunden og følge strålens linje til eksperimentatorens vakuumkammer. Et stort antal af sådanne stråler kan komme fra moderne tredjegenerations synkrotronstrålingsenheder.
Elektroner kan udvindes fra selve acceleratoren og opbevares i et ekstra magnetisk ultrahøjvakuumlager, hvorfra de kan udvindes (og hvor de kan reproduceres) et stort antal gange. Magneterne i ringen skal også gentagne gange komprimere strålen mod "Coulomb-kræfterne" (eller mere enkelt rumladninger), der har tendens til at ødelægge elektronbundterne. Retningsændring er en form for acceleration, fordi elektroner udsender stråling ved høje energier og høje accelerationshastigheder i en partikelaccelerator. Som regel afhænger lysstyrken af synkrotronstråling også af den samme hastighed.
