Het spectrum van synchrotronstraling is niet zo geweldig. Dat wil zeggen, het kan in slechts een paar typen worden verdeeld. Als het deeltje niet-relativistisch is, wordt dergelijke straling cyclotron-emissie genoemd. Als de deeltjes daarentegen relativistisch van aard zijn, worden de stralingen die het gevolg zijn van hun interactie soms ultrarelativistisch genoemd. Synchrone straling kan kunstmatig (in synchrotrons of opslagringen) of op natuurlijke wijze worden bereikt door snelle elektronen die door magnetische velden bewegen. De aldus geproduceerde straling heeft een karakteristieke polarisatie en de opgewekte frequenties kunnen variëren over het gehele elektromagnetische spectrum, ook wel continuümstraling genoemd.
Opening
Dit fenomeen is vernoemd naar een General Electric synchrotrongenerator uit 1946. Het bestaan ervan werd in mei 1947 aangekondigd door de wetenschappers Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir en HerbPollock in zijn brief "Straling van elektronen in de synchrotron". Maar dit was slechts een theoretische ontdekking, over de eerste echte waarneming van dit fenomeen leest u hieronder.
Bronnen
Wanneer hoogenergetische deeltjes versnellen, inclusief elektronen die door een magnetisch veld gedwongen worden langs een gebogen pad te bewegen, wordt synchrotronstraling geproduceerd. Dit is vergelijkbaar met een radioantenne, maar met het verschil dat theoretisch de relativistische snelheid de waargenomen frequentie zal veranderen als gevolg van het Doppler-effect met de Lorentz-coëfficiënt γ. De verkorting van de relativistische lengte raakt dan de frequentie die wordt waargenomen door een andere factor γ, waardoor de frequentie GHz van de resonantieholte die de elektronen in het röntgenbereik versnelt, toeneemt. Het uitgestraalde vermogen wordt bepaald door de relativistische Larmor-formule en de kracht op het uitgestraalde elektron wordt bepaald door de Abraham-Lorentz-Dirac-kracht.
Andere kenmerken
Het stralingspatroon kan worden vervormd van een isotroop dipoolpatroon in een sterk gerichte stralingskegel. Elektronensynchrotronstraling is de helderste kunstmatige bron van röntgenstraling.
De geometrie van de planaire versnelling lijkt de straling lineair gepolariseerd te maken wanneer bekeken in het vlak van de baan en circulair gepolariseerd wanneer bekeken onder een kleine hoek met dat vlak. Amplitude en frequentie zijn echter gecentreerd op de poolecliptica.
De bron van synchrotronstraling is ook een bron van elektromagnetische straling (EM), dat iseen opbergring ontworpen voor wetenschappelijke en technische doeleinden. Deze straling wordt niet alleen geproduceerd door opslagringen, maar ook door andere gespecialiseerde deeltjesversnellers, meestal versnellende elektronen. Zodra een elektronenbundel met hoge energie is gegenereerd, wordt deze naar hulpcomponenten geleid, zoals buigmagneten en inbrengapparaten (undulatoren of wigglers). Ze leveren sterke magnetische velden, loodrechte stralen, die nodig zijn om hoogenergetische elektronen om te zetten in fotonen.
Gebruik van synchrotronstraling
De belangrijkste toepassingen van synchrotronlicht zijn de fysica van de gecondenseerde materie, materiaalkunde, biologie en geneeskunde. De meeste experimenten met synchrotronlicht hebben betrekking op de studie van de structuur van materie van het sub-nanometerniveau van de elektronische structuur tot het niveau van micrometer en millimeter, wat belangrijk is voor medische beeldvorming. Een voorbeeld van een praktische industriële toepassing is de productie van microstructuren met behulp van het LIGA-proces.
Synchrotronstraling wordt ook gegenereerd door astronomische objecten, meestal waar relativistische elektronen spiraalsgewijs (en dus van snelheid veranderen) door magnetische velden.
Geschiedenis
Deze straling werd voor het eerst ontdekt in een raket afgevuurd door Messier 87 in 1956 door Geoffrey R. Burbidge, die het zag als een bevestiging van de voorspelling van Iosif Shklovsky in 1953, maar het werd eerder voorspeld door Hannes Alfven en Nikolai Herlofson in 1950. Zonnevlammen versnellen deeltjesdie op deze manier uitstoten, zoals voorgesteld door R. Giovanolli in 1948 en kritisch beschreven door Piddington in 1952.
Ruimte
Superzware zwarte gaten worden voorgesteld om synchrotronstraling te creëren door jets die worden gecreëerd door zwaartekracht versnellende ionen door supercorded "buisvormige" poolgebieden van magnetische velden te duwen. Dergelijke jets, de dichtstbijzijnde in Messier 87, werden door de Hubble-telescoop geïdentificeerd als superluminale signalen die met een frequentie van 6 × s (zes keer de lichtsnelheid) vanaf ons planetaire frame bewogen. Dit fenomeen wordt veroorzaakt doordat de jets zich zeer dicht bij de lichtsnelheid bewegen en onder een zeer kleine hoek ten opzichte van de waarnemer. Omdat de hogesnelheidsstralen licht uitstralen op elk punt langs hun pad, nadert het licht dat ze uitstralen de waarnemer niet veel sneller dan de straal zelf. Licht dat gedurende honderden jaren reizen wordt uitgestraald, bereikt de waarnemer dus in een veel kortere periode (tien of twintig jaar). Er is geen schending van de speciale relativiteitstheorie in dit fenomeen.
Een impulsieve emissie van gammastraling uit een nevel met een helderheid tot ≧25 GeV is recentelijk gedetecteerd, waarschijnlijk als gevolg van synchrotronemissie door elektronen die gevangen zitten in een sterk magnetisch veld rond de pulsar. Een klasse van astronomische bronnen waar synchrotron-emissie belangrijk is, zijn pulsar-windnevels, of plerions, waarvan de Krabnevel en de bijbehorende pulsar archetypisch zijn. Polarisatie in de Krabnevel bij energieën tussen 0,1 en 1,0 MeV is typische synchrotronstraling.
Kort over berekening en botsers
In vergelijkingen over dit onderwerp worden vaak speciale termen of waarden geschreven, die de deeltjes symboliseren waaruit het zogenaamde snelheidsveld bestaat. Deze termen vertegenwoordigen het effect van het statische veld van het deeltje, dat een functie is van de nul- of constante snelheidscomponent van zijn beweging. Integendeel, de tweede term v alt af als het omgekeerde van de eerste macht van de afstand tot de bron, en sommige termen worden het versnellingsveld of het stralingsveld genoemd omdat ze componenten van het veld zijn vanwege de versnelling van de lading (verandering in snelheid).
De uitgestraalde kracht wordt dus geschaald als een energie van de vierde macht. Deze straling beperkt de energie van de elektron-positron circulaire versneller. Gewoonlijk worden protonversnellers in plaats daarvan beperkt door het maximale magnetische veld. Daarom heeft de Large Hadron Collider bijvoorbeeld een massamiddelpuntsenergie die 70 keer hoger is dan welke andere deeltjesversneller dan ook, zelfs als de massa van een proton 2000 keer die van een elektron is.
Terminologie
Verschillende wetenschapsgebieden hebben vaak verschillende manieren om termen te definiëren. Helaas betekenen op het gebied van röntgenstraling verschillende termen hetzelfde als "straling". Sommige auteurs gebruiken de term "helderheid", die ooit werd gebruikt om te verwijzen naar fotometrische helderheid, of onjuist werd gebruikt vooraanduidingen van radiometrische straling. Intensiteit betekent vermogensdichtheid per oppervlakte-eenheid, maar voor röntgenbronnen betekent dit meestal schittering.
Mechanisme van optreden
Synchrotronstraling kan in versnellers optreden als een onvoorziene fout, die ongewenste energieverliezen veroorzaakt in de context van deeltjesfysica, of als een bewust ontworpen stralingsbron voor tal van laboratoriumtoepassingen. De elektronen worden in verschillende stappen versneld tot hoge snelheden om een eindenergie te bereiken die meestal in het bereik van gigaelektronvolt ligt. Elektronen worden door sterke magnetische velden gedwongen in een gesloten pad te bewegen. Het is vergelijkbaar met een radioantenne, maar met het verschil dat de relativistische snelheid de waargenomen frequentie verandert vanwege het Doppler-effect. Relativistische Lorentz-contractie beïnvloedt de gigahertz-frequentie, waardoor deze wordt vermenigvuldigd in een resonantieholte die elektronen versnelt in het röntgenbereik. Een ander dramatisch effect van relativiteit is dat het stralingspatroon wordt vervormd van het isotrope dipoolpatroon dat verwacht wordt van niet-relativistische theorie tot een extreem gerichte stralingskegel. Dit maakt synchrotronstralingsdiffractie de beste manier om röntgenstralen te creëren. De vlakke versnellingsgeometrie maakt de straling lineair gepolariseerd wanneer bekeken in het vlak van de baan en creëert circulaire polarisatie wanneer bekeken onder een kleine hoek met dit vlak.
Diverse gebruik
Voordelen van het gebruiksynchrotronstraling voor spectroscopie en diffractie wordt sinds de jaren zestig en zeventig door een steeds groter wordende wetenschappelijke gemeenschap geïmplementeerd. In het begin werden versnellers gemaakt voor deeltjesfysica. De "parasitaire modus" gebruikte synchrotronstraling, waarbij de buigende magnetische straling moest worden geëxtraheerd door extra gaten in de bundelbuizen te boren. De eerste opslagring die als synchrotron-lichtbron werd geïntroduceerd, was Tantalus, die voor het eerst werd gelanceerd in 1968. Naarmate de straling van de versneller intenser werd en de toepassingen ervan veelbelovender werden, werden apparaten die de intensiteit ervan verbeterden ingebouwd in bestaande ringen. De synchrotron-stralingsdiffractiemethode is vanaf het begin ontwikkeld en geoptimaliseerd om hoogwaardige röntgenstralen te verkrijgen. Er wordt nagedacht over bronnen van de vierde generatie, waaronder verschillende concepten voor het maken van ultra-briljante, gepulseerde, getimede structurele röntgenstralen voor extreem veeleisende en misschien nog niet gecreëerde experimenten.
Eerste apparaten
Eerst werden buigelektromagneten in versnellers gebruikt om deze straling te genereren, maar soms werden andere gespecialiseerde apparaten, inbrengapparaten, gebruikt om een sterker lichteffect te creëren. Methoden voor synchrotronstralingsdiffractie (derde generatie) zijn meestal afhankelijk van bronapparaten, waarbij de rechte delen van de opslagring periodiekemagnetische structuren (die veel magneten bevatten in de vorm van afwisselende N- en S-polen) die ervoor zorgen dat elektronen in een sinusoïdaal of spiraalvormig pad bewegen. Dus, in plaats van een enkele buiging, voegen vele tientallen of honderden "wervelingen" in nauwkeurig berekende posities de algehele intensiteit van de straal toe of vermenigvuldigen deze. Deze apparaten worden wigglers of undulators genoemd. Het belangrijkste verschil tussen een undulator en een wiggler is de intensiteit van hun magnetische veld en de amplitude van de afwijking van het directe pad van de elektronen. Al deze apparaten en mechanismen zijn nu opgeslagen in het Center for Synchrotron Radiation (VS).
Extractie
De accumulator heeft gaten waardoor deeltjes de stralingsachtergrond kunnen verlaten en de lijn van de bundel naar de vacuümkamer van de onderzoeker kunnen volgen. Een groot aantal van dergelijke bundels kan afkomstig zijn van moderne synchrotronstralingsapparaten van de derde generatie.
Elektronen kunnen worden geëxtraheerd uit de eigenlijke versneller en worden opgeslagen in een extra ultrahoogvacuüm magnetische opslag, van waaruit ze een groot aantal keren kunnen worden geëxtraheerd (en waar ze kunnen worden gereproduceerd). De magneten in de ring moeten de straal ook herhaaldelijk opnieuw comprimeren tegen de "Coulomb-krachten" (of, eenvoudiger, ruimteladingen) die de neiging hebben om de elektronenbundels te vernietigen. Verandering van richting is een vorm van versnelling, omdat elektronen in een deeltjesversneller straling met hoge energieën en hoge versnellingssnelheden uitzenden. In de regel hangt de helderheid van synchrotronstraling ook af van dezelfde snelheid.
