Spektrum sinaran synchrotron tidaklah begitu hebat. Iaitu, ia boleh dibahagikan kepada beberapa jenis sahaja. Jika zarah itu bukan relativistik, maka sinaran tersebut dipanggil pelepasan siklotron. Jika, sebaliknya, zarah bersifat relativistik, maka sinaran yang terhasil daripada interaksinya kadangkala dipanggil ultrarelativistik. Sinaran segerak boleh dicapai sama ada secara buatan (dalam sinkrotron atau gelang simpanan) atau secara semula jadi disebabkan oleh elektron pantas yang bergerak melalui medan magnet. Sinaran yang dihasilkan oleh itu mempunyai polarisasi ciri, dan frekuensi yang dihasilkan boleh berbeza-beza merentasi keseluruhan spektrum elektromagnet, juga dipanggil sinaran kontinum.
Pembukaan
Fenomena ini dinamakan sempena penjana synchrotron General Electric yang dibina pada tahun 1946. Kewujudannya diumumkan pada Mei 1947 oleh saintis Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir dan HerbPollock dalam suratnya "Radiation from electron in the synchrotron". Tetapi ini hanyalah penemuan teori, anda akan membaca tentang pemerhatian sebenar pertama fenomena ini di bawah.
Sumber
Apabila zarah bertenaga tinggi berada dalam pecutan, termasuk elektron yang dipaksa bergerak di sepanjang laluan melengkung oleh medan magnet, sinaran synchrotron dihasilkan. Ini adalah serupa dengan antena radio, tetapi dengan perbezaan yang secara teorinya kelajuan relativistik akan mengubah frekuensi yang diperhatikan disebabkan oleh kesan Doppler oleh pekali Lorentz γ. Pemendekan panjang relativistik kemudian mencecah frekuensi yang diperhatikan oleh faktor γ lain, dengan itu meningkatkan frekuensi GHz rongga resonan yang mempercepatkan elektron dalam julat sinar-X. Kuasa pancaran ditentukan oleh formula Larmor relativistik, dan daya pada elektron terpancar ditentukan oleh daya Abraham-Lorentz-Dirac.
Ciri lain
Corak sinaran boleh diherotkan daripada corak dipol isotropik kepada kon sinaran terarah tinggi. Sinaran segerak elektron ialah sumber tiruan sinar-X yang paling terang.
Geometri pecutan satah seolah-olah menjadikan sinaran terkutub secara linear apabila dilihat dalam satah orbit dan terkutub bulat apabila dilihat pada sudut sedikit kepada satah tersebut. Amplitud dan kekerapan, bagaimanapun, berpusat pada ekliptik kutub.
Sumber sinaran sinkrotron juga merupakan sumber sinaran elektromagnet (EM), iaitucincin simpanan yang direka untuk tujuan saintifik dan teknikal. Sinaran ini dihasilkan bukan sahaja oleh cincin simpanan, tetapi juga oleh pemecut zarah khusus lain, biasanya mempercepatkan elektron. Sebaik sahaja rasuk elektron tenaga tinggi dijana, ia diarahkan kepada komponen tambahan seperti magnet lentur dan peranti sisipan (undulators atau wigglers). Ia menyediakan medan magnet yang kuat, rasuk berserenjang, yang diperlukan untuk menukar elektron bertenaga tinggi kepada foton.
Penggunaan sinaran segerak
Aplikasi utama cahaya synchrotron ialah fizik jirim pekat, sains bahan, biologi dan perubatan. Kebanyakan eksperimen menggunakan cahaya synchrotron adalah berkaitan dengan kajian struktur jirim dari peringkat sub-nanometer struktur elektronik kepada tahap mikrometer dan milimeter, yang penting untuk pengimejan perubatan. Contoh aplikasi industri yang praktikal ialah penghasilan struktur mikro menggunakan proses LIGA.
Radiasi segerak juga dijana oleh objek astronomi, biasanya di mana elektron relativistik berputar (dan oleh itu menukar kelajuan) melalui medan magnet.
Sejarah
Radiasi ini pertama kali ditemui dalam roket yang ditembakkan oleh Messier 87 pada tahun 1956 oleh Geoffrey R. Burbidge, yang melihatnya sebagai pengesahan ramalan Iosif Shklovsky pada tahun 1953, tetapi ia telah diramalkan lebih awal oleh Hannes Alfven dan Nikolai Herlofson dalam 1950. Nyalaan suria mempercepatkan zarahyang memancarkan dengan cara ini, seperti yang dicadangkan oleh R. Giovanolli pada tahun 1948 dan diterangkan secara kritis oleh Piddington pada tahun 1952.
Ruang
Lubang hitam supermasif dicadangkan untuk mencipta sinaran synchrotron dengan menolak jet yang dicipta oleh ion yang memecut secara graviti melalui kawasan kutub "tubular" supercorded medan magnet. Jet sedemikian, yang paling hampir dalam Messier 87, telah dikenal pasti oleh teleskop Hubble sebagai isyarat superluminal yang bergerak pada frekuensi 6 × s (enam kali ganda kelajuan cahaya) dari kerangka planet kita. Fenomena ini disebabkan oleh jet bergerak sangat dekat dengan kelajuan cahaya dan pada sudut yang sangat kecil kepada pemerhati. Oleh kerana jet berkelajuan tinggi memancarkan cahaya pada setiap titik di sepanjang laluan mereka, cahaya yang mereka keluarkan tidak mendekati pemerhati lebih cepat daripada jet itu sendiri. Cahaya yang dipancarkan selama beratus-ratus tahun perjalanan sehingga mencapai pemerhati dalam tempoh masa yang lebih singkat (sepuluh atau dua puluh tahun). Tiada pelanggaran teori relativiti khas dalam fenomena ini.
Pancaran impulsif sinaran gamma daripada nebula dengan kecerahan sehingga ≧25 GeV baru-baru ini telah dikesan, mungkin disebabkan oleh pancaran synchrotron oleh elektron yang terperangkap dalam medan magnet yang kuat di sekeliling pulsar. Kelas sumber astronomi di mana pelepasan synchrotron penting ialah nebula angin pulsar, atau pleion, yang Nebula Ketam dan pulsar yang berkaitan adalah pola dasar. Polarisasi dalam Nebula Ketam pada tenaga antara 0.1 dan 1.0 MeV ialah sinaran sinkrotron biasa.
Secara ringkas tentang pengiraan dan pelanggar
Dalam persamaan mengenai subjek ini, istilah atau nilai khas sering ditulis, melambangkan zarah yang membentuk medan halaju yang dipanggil. Istilah ini mewakili kesan medan statik zarah, yang merupakan fungsi komponen halaju sifar atau malar bagi gerakannya. Sebaliknya, sebutan kedua jatuh sebagai timbal balik kuasa pertama jarak dari sumber, dan beberapa istilah dipanggil medan pecutan atau medan sinaran kerana ia adalah komponen medan disebabkan oleh pecutan cas (perubahan dalam kelajuan).
Oleh itu, kuasa yang dipancarkan diskalakan sebagai tenaga kuasa keempat. Sinaran ini mengehadkan tenaga pelanggar bulatan elektron-positron. Biasanya, pelanggar proton sebaliknya dihadkan oleh medan magnet maksimum. Oleh itu, sebagai contoh, Large Hadron Collider mempunyai pusat tenaga jisim 70 kali lebih tinggi daripada mana-mana pemecut zarah lain, walaupun jika jisim proton adalah 2000 kali ganda daripada jisim elektron.
Terminologi
Bidang sains yang berbeza selalunya mempunyai cara yang berbeza untuk mentakrifkan istilah. Malangnya, dalam bidang sinar-X, beberapa istilah bermaksud perkara yang sama dengan "radiasi". Sesetengah pengarang menggunakan istilah "kecerahan", yang pernah digunakan untuk merujuk kepada kecerahan fotometrik, atau digunakan secara tidak betul untuksebutan sinaran radiometrik. Intensiti bermaksud ketumpatan kuasa setiap unit luas, tetapi untuk sumber sinar-X ia biasanya bermaksud kecemerlangan.
Mekanisme kejadian
Sinaran synchrotron boleh berlaku dalam pemecut sama ada sebagai ralat yang tidak dijangka, menyebabkan kehilangan tenaga yang tidak diingini dalam konteks fizik zarah, atau sebagai sumber sinaran yang direka bentuk dengan sengaja untuk pelbagai aplikasi makmal. Elektron dipercepatkan ke kelajuan tinggi dalam beberapa langkah untuk mencapai tenaga akhir yang biasanya dalam julat gigaelektronvolt. Elektron dipaksa untuk bergerak dalam laluan tertutup oleh medan magnet yang kuat. Ia serupa dengan antena radio, tetapi dengan perbezaan kelajuan relativistik mengubah frekuensi yang diperhatikan disebabkan oleh kesan Doppler. Penguncupan Lorentz relativistik mempengaruhi frekuensi gigahertz, dengan itu mendarabkannya dalam rongga resonan yang mempercepatkan elektron ke dalam julat sinar-X. Satu lagi kesan dramatik relativiti ialah corak sinaran diputarbelitkan daripada corak dipol isotropik yang dijangkakan daripada teori bukan relativistik kepada kon sinaran terarah sangat. Ini menjadikan pembelauan sinaran synchrotron cara terbaik untuk mencipta sinar-X. Geometri pecutan rata menjadikan sinaran terkutub secara linear apabila dilihat pada satah orbit dan mencipta kekutuban bulat apabila dilihat pada sudut sedikit ke satah ini.
Pelbagai kegunaan
Faedah menggunakansinaran synchrotron untuk spektroskopi dan pembelauan telah dilaksanakan oleh komuniti saintifik yang semakin berkembang sejak tahun 1960-an dan 1970-an. Pada mulanya, pemecut dicipta untuk fizik zarah. "Mod parasit" menggunakan sinaran synchrotron, di mana sinaran magnet lentur perlu diekstrak dengan menggerudi lubang tambahan dalam tiub rasuk. Cincin storan pertama yang diperkenalkan sebagai sumber cahaya synchrotron ialah Tantalus, yang pertama kali dilancarkan pada tahun 1968. Apabila sinaran pemecut menjadi lebih sengit dan aplikasinya menjadi lebih menjanjikan, peranti yang meningkatkan keamatannya telah dibina ke dalam gelang sedia ada. Kaedah pembelauan sinaran synchrotron telah dibangunkan dan dioptimumkan dari awal lagi untuk mendapatkan sinar-X berkualiti tinggi. Sumber generasi keempat sedang dipertimbangkan, yang akan merangkumi pelbagai konsep untuk mencipta sinar-X struktur ultra-cemerlang, berdenyut, bermasa untuk eksperimen yang sangat menuntut dan mungkin belum dicipta.
Peranti pertama
Pada mulanya, elektromagnet lentur dalam pemecut digunakan untuk menjana sinaran ini, tetapi peranti khusus lain, peranti sisipan, kadangkala digunakan untuk mencipta kesan pencahayaan yang lebih kuat. Kaedah pembelauan sinaran synchrotron (generasi ketiga) biasanya bergantung pada peranti sumber, di mana bahagian lurus gelang storan mengandungi berkala.struktur magnet (mengandungi banyak magnet dalam bentuk kutub N dan S yang berselang-seli) yang menyebabkan elektron bergerak dalam laluan sinusoidal atau lingkaran. Oleh itu, bukannya satu selekoh, berpuluh-puluh atau ratusan "putaran" dalam kedudukan yang dikira dengan tepat menambah atau mendarab keamatan keseluruhan rasuk. Peranti ini dipanggil wigglers atau undulators. Perbezaan utama antara undulator dan wiggler ialah keamatan medan magnetnya dan amplitud sisihan daripada laluan langsung elektron. Semua peranti dan mekanisme ini kini disimpan di Center for Synchrotron Radiation (AS).
Pengeluaran
Penumpuk mempunyai lubang yang membolehkan zarah meninggalkan latar belakang sinaran dan mengikut garisan rasuk ke ruang vakum penguji. Sebilangan besar pancaran sedemikian mungkin berasal daripada peranti sinaran segerak generasi ketiga moden.
Elektron boleh diekstrak daripada pemecut sebenar dan disimpan dalam storan magnet vakum ultra-tinggi tambahan, dari mana ia boleh diekstrak (dan tempat ia boleh dihasilkan semula) beberapa kali. Magnet dalam cincin juga mesti berulang kali memampatkan semula rasuk terhadap "daya Coulomb" (atau, lebih mudah, caj ruang) yang cenderung untuk memusnahkan tandan elektron. Perubahan arah adalah satu bentuk pecutan, kerana elektron memancarkan sinaran pada tenaga tinggi dan kelajuan pecutan tinggi dalam pemecut zarah. Sebagai peraturan, kecerahan sinaran synchrotron juga bergantung pada kelajuan yang sama.
