Ang spectrum ng synchrotron radiation ay hindi ganoon kaganda. Ibig sabihin, maaari itong hatiin sa ilang uri lamang. Kung ang butil ay hindi relativistic, kung gayon ang naturang radiation ay tinatawag na cyclotron emission. Kung, sa kabilang banda, ang mga particle ay relativistic sa kalikasan, kung gayon ang mga radiation na nagreresulta mula sa kanilang pakikipag-ugnayan ay tinatawag minsan na ultrarelativistic. Ang synchronous radiation ay maaaring makamit alinman sa artipisyal (sa mga synchrotron o storage ring) o natural dahil sa mabilis na mga electron na gumagalaw sa mga magnetic field. Ang radiation na ginawa ay may katangiang polarization, at ang mga frequency na nabuo ay maaaring mag-iba sa buong electromagnetic spectrum, na tinatawag ding continuum radiation.
Pagbubukas
Ang phenomenon na ito ay pinangalanan sa isang General Electric synchrotron generator na itinayo noong 1946. Ang pagkakaroon nito ay inihayag noong Mayo 1947 ng mga siyentipiko na sina Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir at HerbPollock sa kanyang liham na "Radiation mula sa mga electron sa synchrotron". Ngunit ito ay isang teoretikal na pagtuklas lamang, mababasa mo ang tungkol sa unang tunay na obserbasyon ng hindi pangkaraniwang bagay na ito sa ibaba.
Sources
Kapag ang mga particle na may mataas na enerhiya ay nasa acceleration, kabilang ang mga electron na pinilit na gumalaw sa isang curved path sa pamamagitan ng magnetic field, ang synchrotron radiation ay nagagawa. Ito ay katulad ng isang radio antenna, ngunit may pagkakaiba na sa teoryang ang relativistic na bilis ay magbabago sa naobserbahang frequency dahil sa Doppler effect ng Lorentz coefficient γ. Ang pagpapaikli ng relativistic na haba pagkatapos ay tumama sa dalas na sinusunod ng isa pang salik na γ, at sa gayon ay tumataas ang dalas ng GHz ng resonant na lukab na nagpapabilis sa mga electron sa hanay ng X-ray. Ang radiated power ay tinutukoy ng relativistic Larmor formula, at ang puwersa sa radiated electron ay tinutukoy ng Abraham-Lorentz-Dirac force.
Iba pang feature
Ang pattern ng radiation ay maaaring i-distort mula sa isang isotropic dipole pattern patungo sa isang mataas na nakadirekta na cone ng radiation. Ang electron synchrotron radiation ay ang pinakamaliwanag na artipisyal na pinagmumulan ng X-ray.
Ang geometry ng planar acceleration ay tila ginagawang linearly polarized ang radiation kapag tiningnan sa plane ng orbit at circularly polarized kapag tiningnan sa isang bahagyang anggulo sa eroplanong iyon. Ang amplitude at frequency, gayunpaman, ay nakasentro sa polar ecliptic.
Ang pinagmumulan ng synchrotron radiation ay pinagmumulan din ng electromagnetic radiation (EM), naisang storage ring na idinisenyo para sa mga layuning pang-agham at teknikal. Ang radiation na ito ay ginawa hindi lamang ng mga singsing sa imbakan, kundi pati na rin ng iba pang mga dalubhasang particle accelerators, kadalasang nagpapabilis ng mga electron. Sa sandaling nabuo ang isang mataas na enerhiya na electron beam, ididirekta ito sa mga pantulong na bahagi tulad ng mga bending magnet at mga insertion device (undulators o wiggler). Nagbibigay ang mga ito ng malalakas na magnetic field, perpendicular beam, na kinakailangan para ma-convert ang mga high-energy electron sa mga photon.
Paggamit ng synchrotron radiation
Ang mga pangunahing aplikasyon ng synchrotron light ay condensed matter physics, materials science, biology at medicine. Karamihan sa mga eksperimento na gumagamit ng synchrotron light ay nauugnay sa pag-aaral ng istraktura ng bagay mula sa sub-nanometer na antas ng electronic na istraktura hanggang sa antas ng micrometer at millimeter, na mahalaga para sa medikal na imaging. Ang isang halimbawa ng praktikal na aplikasyon sa industriya ay ang paggawa ng mga microstructure gamit ang proseso ng LIGA.
Ang synchrotron radiation ay nabuo din ng mga astronomical na bagay, kadalasan kung saan ang mga relativistic na electron ay umiikot (at samakatuwid ay nagbabago ng bilis) sa pamamagitan ng mga magnetic field.
Kasaysayan
Ang radiation na ito ay unang natuklasan sa isang rocket na pinaputok ni Messier 87 noong 1956 ni Geoffrey R. Burbidge, na nakita ito bilang isang kumpirmasyon ng hula ni Iosif Shklovsky noong 1953, ngunit ito ay hinulaang mas maaga nina Hannes Alfven at Nikolai Herlofson noong 1950. Ang mga solar flare ay nagpapabilis ng mga particlena naglalabas sa ganitong paraan, gaya ng iminungkahi ni R. Giovanolli noong 1948 at kritikal na inilarawan ni Piddington noong 1952.
Space
Ang napakalaking black hole ay iminungkahi na lumikha ng synchrotron radiation sa pamamagitan ng pagtulak ng mga jet na nilikha ng gravitationally accelerating ions sa pamamagitan ng supercorded "tubular" polar regions ng magnetic fields. Ang nasabing mga jet, ang pinakamalapit sa kanila sa Messier 87, ay kinilala ng teleskopyo ng Hubble bilang mga superluminal na signal na gumagalaw sa dalas na 6 × s (anim na beses ang bilis ng liwanag) mula sa ating planetary frame. Ang phenomenon na ito ay sanhi ng mga jet na naglalakbay nang napakalapit sa bilis ng liwanag at sa napakaliit na anggulo sa nagmamasid. Dahil ang mga high-speed jet ay naglalabas ng liwanag sa bawat punto sa kanilang landas, ang liwanag na kanilang inilalabas ay hindi lumalapit sa tagamasid nang mas mabilis kaysa sa jet mismo. Ang liwanag na ibinubuga sa daan-daang taon ng paglalakbay kaya't umabot sa nagmamasid sa mas maikling panahon (sampu o dalawampung taon). Walang paglabag sa espesyal na teorya ng relativity sa hindi pangkaraniwang bagay na ito.
Ang isang impulsive emission ng gamma radiation mula sa isang nebula na may liwanag na hanggang ≧25 GeV ay natukoy kamakailan, malamang dahil sa synchrotron emission ng mga electron na nakulong sa isang malakas na magnetic field sa paligid ng pulsar. Ang isang klase ng astronomical sources kung saan mahalaga ang synchrotron emission ay pulsar wind nebulae, o plerion, kung saan ang Crab Nebula at ang nauugnay nitong pulsar ay archetypal. Ang polarization sa Crab Nebula sa mga enerhiya sa pagitan ng 0.1 at 1.0 MeV ay karaniwang synchrotron radiation.
Maikling tungkol sa pagkalkula at mga collider
Sa mga equation sa paksang ito, madalas na isinusulat ang mga espesyal na termino o value, na sumasagisag sa mga particle na bumubuo sa tinatawag na velocity field. Ang mga terminong ito ay kumakatawan sa epekto ng static na field ng particle, na isang function ng zero o pare-parehong bahagi ng bilis ng paggalaw nito. Sa kabaligtaran, ang pangalawang termino ay bumagsak bilang kapalit ng unang kapangyarihan ng distansya mula sa pinagmulan, at ang ilang mga termino ay tinatawag na acceleration field o ang radiation field dahil sila ay mga bahagi ng field dahil sa pagbilis ng singil (pagbabago sa bilis).
Kaya, ang radiated na kapangyarihan ay pinaliit bilang isang enerhiya ng ikaapat na kapangyarihan. Nililimitahan ng radiation na ito ang enerhiya ng electron-positron circular collider. Karaniwan, ang mga proton collider ay sa halip ay limitado ng maximum na magnetic field. Samakatuwid, halimbawa, ang Large Hadron Collider ay may sentro ng mass energy na 70 beses na mas mataas kaysa sa iba pang particle accelerator, kahit na ang mass ng isang proton ay 2000 beses kaysa sa isang electron.
Terminolohiya
Ang iba't ibang larangan ng agham ay kadalasang may iba't ibang paraan ng pagtukoy ng mga termino. Sa kasamaang palad, sa larangan ng X-ray, maraming termino ang ibig sabihin ng parehong bagay bilang "radiation". Ginagamit ng ilang may-akda ang terminong "liwanag", na dating ginamit upang tumukoy sa photometric na ningning, o ginamit nang hindi tama para samga pagtatalaga ng radiometric radiation. Nangangahulugan ang intensity ng power density sa bawat unit area, ngunit para sa X-ray sources kadalasan itong nangangahulugan ng brilliance.
Mekanismo ng paglitaw
Synchrotron radiation ay maaaring mangyari sa mga accelerator bilang isang hindi inaasahang error, na nagdudulot ng hindi gustong pagkawala ng enerhiya sa konteksto ng particle physics, o bilang isang sadyang idinisenyong pinagmumulan ng radiation para sa maraming aplikasyon sa laboratoryo. Ang mga electron ay pinabilis sa mataas na bilis sa ilang mga hakbang upang maabot ang pangwakas na enerhiya na karaniwang nasa hanay ng gigaelectronvolt. Ang mga electron ay pinipilit na lumipat sa isang saradong landas sa pamamagitan ng malakas na magnetic field. Ito ay katulad ng isang radio antenna, ngunit may pagkakaiba na ang relativistic speed ay nagbabago sa naobserbahang frequency dahil sa Doppler effect. Ang relativistic Lorentz contraction ay nakakaapekto sa gigahertz frequency, sa gayo'y pinaparami ito sa isang resonant na lukab na nagpapabilis ng mga electron sa X-ray range. Ang isa pang dramatikong epekto ng relativity ay ang radiation pattern ay nabaluktot mula sa isotropic dipole pattern na inaasahan mula sa non-relativistic theory hanggang sa isang lubhang nakadirekta na radiation cone. Ginagawa nitong synchrotron radiation diffraction ang pinakamahusay na paraan upang lumikha ng mga X-ray. Ang flat acceleration geometry ay ginagawang linearly polarized ang radiation kapag tiningnan sa plane ng orbit at lumilikha ng circular polarization kapag tiningnan sa bahagyang anggulo sa eroplanong ito.
Iba't ibang gamit
Mga pakinabang ng paggamitAng synchrotron radiation para sa spectroscopy at diffraction ay ipinatupad ng patuloy na lumalagong siyentipikong komunidad mula noong 1960s at 1970s. Sa simula, ang mga accelerator ay nilikha para sa pisika ng butil. Ang "parasitic mode" ay gumamit ng synchrotron radiation, kung saan ang baluktot na magnetic radiation ay kailangang kunin sa pamamagitan ng pagbabarena ng karagdagang mga butas sa beam tubes. Ang unang storage ring na ipinakilala bilang isang synchrotron light source ay Tantalus, na unang inilunsad noong 1968. Habang ang radiation ng accelerator ay naging mas matindi at ang mga aplikasyon nito ay naging mas promising, ang mga device na nagpahusay sa intensity nito ay binuo sa mga kasalukuyang ring. Ang synchrotron radiation diffraction method ay binuo at na-optimize mula pa sa simula upang makakuha ng mataas na kalidad na X-ray. Isinasaalang-alang ang mga mapagkukunan ng ikaapat na henerasyon, na magsasama ng iba't ibang mga konsepto para sa paglikha ng ultra-brilliant, pulsed, timed structural X-ray para sa lubhang hinihingi at marahil ay hindi pa nagagawang mga eksperimento.
Unang device
Sa una, ang mga baluktot na electromagnet sa mga accelerator ay ginamit upang makabuo ng radiation na ito, ngunit ang ibang mga espesyal na device, mga insertion device, ay minsan ginagamit upang lumikha ng mas malakas na epekto ng pag-iilaw. Ang mga paraan ng synchrotron radiation diffraction (third generation) ay kadalasang nakadepende sa mga source device, kung saan ang mga tuwid na seksyon ng storage ring ay naglalaman ng panaka-nakangmagnetic structures (naglalaman ng maraming magnet sa anyo ng mga alternating N at S pole) na nagiging sanhi ng paggalaw ng mga electron sa sinusoidal o spiral path. Kaya, sa halip na isang solong liko, maraming sampu o daan-daang "swirls" sa mga eksaktong kinakalkula na posisyon ang nagdaragdag o nagpaparami sa kabuuang intensity ng beam. Ang mga aparatong ito ay tinatawag na wigglers o undulators. Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng isang undulator at isang wiggler ay ang intensity ng kanilang magnetic field at ang amplitude ng paglihis mula sa direktang landas ng mga electron. Naka-store na ngayon ang lahat ng device at mekanismong ito sa Center for Synchrotron Radiation (USA).
Extraction
May mga butas ang accumulator na nagpapahintulot sa mga particle na umalis sa background ng radiation at sundin ang linya ng beam patungo sa vacuum chamber ng experimenter. Ang isang malaking bilang ng mga naturang beam ay maaaring nagmula sa mga modernong third-generation synchrotron radiation device.
Maaaring kunin ang mga electron mula sa aktwal na accelerator at iimbak sa isang auxiliary na ultra-high na vacuum magnetic storage, kung saan maaaring makuha ang mga ito (at kung saan maaaring i-reproduce ang mga ito) nang maraming beses. Ang mga magnet sa ring ay dapat ding paulit-ulit na i-recompress ang beam laban sa "Coulomb forces" (o, mas simple, space charges) na may posibilidad na sirain ang mga bunches ng elektron. Ang pagbabago ng direksyon ay isang anyo ng acceleration, dahil ang mga electron ay naglalabas ng radiation sa mataas na enerhiya at mataas na bilis ng acceleration sa isang particle accelerator. Bilang panuntunan, nakadepende rin ang liwanag ng synchrotron radiation sa parehong bilis.
