Spektrum synchrotronového záření není tak velké. To znamená, že jej lze rozdělit pouze na několik typů. Pokud je částice nerelativistická, pak se takové záření nazývá cyklotronová emise. Pokud jsou na druhé straně částice relativistické povahy, pak se záření vyplývající z jejich interakce někdy nazývá ultrarelativistické. Synchronního záření lze dosáhnout buď uměle (v synchrotronech nebo zásobních prstencích) nebo přirozeně díky rychlým elektronům pohybujícím se magnetickými poli. Takto produkované záření má charakteristickou polarizaci a generované frekvence se mohou měnit v celém elektromagnetickém spektru, nazývané také kontinuální záření.
Otevření
Tento jev byl pojmenován po synchrotronovém generátoru General Electric postaveném v roce 1946. Jeho existenci oznámili v květnu 1947 vědci Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir a HerbPollock ve svém dopise „Záření z elektronů v synchrotronu“. To byl ale pouze teoretický objev, o prvním skutečném pozorování tohoto jevu se dočtete níže.
Zdroje
Když se vysokoenergetické částice zrychlují, včetně elektronů nucených pohybovat se po zakřivené dráze magnetickým polem, vzniká synchrotronové záření. Jedná se o obdobu rádiové antény, ale s tím rozdílem, že teoreticky relativistická rychlost změní pozorovanou frekvenci vlivem Dopplerova jevu o Lorentzův koeficient γ. Zkrácení relativistické délky pak narazí na frekvenci pozorovanou dalším faktorem γ, čímž se zvýší frekvence GHz rezonanční dutiny, která urychluje elektrony v oblasti rentgenového záření. Vyzařovaný výkon je určen relativistickým Larmorovým vzorcem a síla na vyzařovaný elektron je určena Abraham-Lorentz-Diracovou silou.
Další funkce
Vyzařovací diagram může být zkreslen z izotropního dipólového vzoru na vysoce směrovaný kužel záření. Elektronové synchrotronové záření je nejjasnějším umělým zdrojem rentgenového záření.
Zdá se, že geometrie rovinného zrychlení způsobuje, že záření je lineárně polarizované při pohledu v rovině oběžné dráhy a kruhově polarizované při pohledu pod mírným úhlem k této rovině. Amplituda a frekvence jsou však centrovány na polární ekliptice.
Zdroj synchrotronového záření je také zdrojem elektromagnetického záření (EM), což jeúložný kruh určený pro vědecké a technické účely. Toto záření produkují nejen akumulační prstence, ale také další specializované urychlovače částic, obvykle urychlující elektrony. Jakmile je generován vysokoenergetický elektronový paprsek, je nasměrován na pomocné komponenty, jako jsou ohýbací magnety a vkládací zařízení (undulátory nebo wigglery). Poskytují silná magnetická pole, kolmé paprsky, které jsou nezbytné k přeměně vysokoenergetických elektronů na fotony.
Využití synchrotronového záření
Hlavními aplikacemi synchrotronového světla jsou fyzika kondenzovaných látek, věda o materiálech, biologie a medicína. Většina experimentů využívajících synchrotronové světlo souvisí se studiem struktury hmoty od subnanometrové úrovně elektronové struktury až po úroveň mikrometru a milimetru, což je důležité pro lékařské zobrazování. Příkladem praktické průmyslové aplikace je výroba mikrostruktur pomocí procesu LIGA.
Synchrotronové záření je také generováno astronomickými objekty, obvykle tam, kde relativistické elektrony spirálovitě (a proto mění rychlost) prostřednictvím magnetických polí.
Historie
Toto záření bylo poprvé objeveno v raketě odpálené Messierem 87 v roce 1956 Geoffrey R. Burbidge, který to viděl jako potvrzení předpovědi Iosifa Shklovského z roku 1953, ale předpověděli jej již dříve Hannes Alfven a Nikolai Herlofson v roce 1950. Sluneční erupce urychlují částicekteré emitují tímto způsobem, jak navrhl R. Giovanolli v roce 1948 a kriticky popsal Piddington v roce 1952.
Mezerník
Supermasivní černé díry jsou navrženy tak, aby vytvářely synchrotronové záření tlačením výtrysků vytvořených gravitačně urychlujícími ionty přes superkordové „tubulární“polární oblasti magnetických polí. Takové výtrysky, nejbližší z nich v Messier 87, byly identifikovány Hubbleovým dalekohledem jako nadsvětelné signály pohybující se frekvencí 6 × s (šestinásobek rychlosti světla) z našeho planetárního rámce. Tento jev je způsoben tím, že výtrysky se pohybují velmi blízko rychlosti světla a ve velmi malém úhlu k pozorovateli. Protože vysokorychlostní výtrysky vyzařují světlo v každém bodě své dráhy, světlo, které vyzařují, se k pozorovateli nepřibližuje mnohem rychleji než samotný výtrysk. Světlo vyzařované za stovky let cesty se tak dostane k pozorovateli za mnohem kratší dobu (deset nebo dvacet let). V tomto jevu nedochází k porušení speciální teorie relativity.
Nedávno byla detekována impulzivní emise gama záření z mlhoviny s jasností až ≧25 GeV, pravděpodobně v důsledku synchrotronové emise elektronů zachycených v silném magnetickém poli kolem pulsaru. Třídou astronomických zdrojů, kde je důležitá synchrotronová emise, jsou větrné mlhoviny pulsarů neboli pleriony, jejichž archetypální jsou Krabí mlhovina as ní související pulsar. Polarizace v Krabí mlhovině při energiích mezi 0,1 a 1,0 MeV je typické synchrotronové záření.
Stručně o výpočtu a colliders
V rovnicích na toto téma jsou často zapsány speciální pojmy nebo hodnoty, které symbolizují částice, které tvoří takzvané rychlostní pole. Tyto pojmy představují vliv statického pole částice, které je funkcí složky nulové nebo konstantní rychlosti jejího pohybu. Naopak druhý člen odpadá jako převrácená hodnota první mocniny vzdálenosti od zdroje a některé členy se nazývají zrychlovací pole nebo pole záření, protože jsou složkami pole v důsledku zrychlení náboje (změna rychlosti).
Vyzařovaný výkon je tedy škálován jako energie čtvrté mocniny. Toto záření omezuje energii elektron-pozitronového kruhového urychlovače. Typicky jsou protonové srážeče místo toho omezeny maximálním magnetickým polem. Proto například Velký hadronový urychlovač má energii těžiště 70krát vyšší než jakýkoli jiný urychlovač částic, i když hmotnost protonu je 2000krát větší než hmotnost elektronu.
Terminologie
Různé oblasti vědy mají často různé způsoby definování pojmů. Bohužel v oblasti rentgenového záření více termínů znamená totéž jako „záření“. Někteří autoři používají termín „jas“, který se kdysi používal k označení fotometrického jasu, nebo se pro něj používal nesprávněoznačení radiometrického záření. Intenzita znamená hustotu výkonu na jednotku plochy, ale pro zdroje rentgenového záření to obvykle znamená brilantnost.
Mechanismus výskytu
Synchrotronové záření se může vyskytovat v urychlovačích buď jako nepředvídaná chyba způsobující nežádoucí ztráty energie v kontextu fyziky částic, nebo jako záměrně navržený zdroj záření pro četné laboratorní aplikace. Elektrony jsou urychlovány na vysoké rychlosti v několika krocích, aby dosáhly konečné energie, která je obvykle v rozsahu gigaelektronvoltů. Elektrony jsou nuceny pohybovat se po uzavřené dráze působením silných magnetických polí. Podobá se rádiové anténě, ale s tím rozdílem, že relativistická rychlost mění pozorovanou frekvenci vlivem Dopplerova jevu. Relativistická Lorentzova kontrakce ovlivňuje gigahertzovou frekvenci, čímž ji znásobuje v rezonanční dutině, která urychluje elektrony do oblasti rentgenového záření. Dalším dramatickým efektem relativity je to, že radiační diagram je zkreslený z izotropního dipólového vzoru očekávaného z nerelativistické teorie na extrémně směrovaný kužel záření. Díky tomu je difrakce synchrotronového záření nejlepším způsobem vytváření rentgenových paprsků. Plochá geometrie zrychlení dělá záření lineárně polarizované při pohledu v rovině oběžné dráhy a vytváří kruhovou polarizaci při pohledu pod mírným úhlem k této rovině.
Různá použití
Výhody používánísynchrotronové záření pro spektroskopii a difrakci zavádí stále rostoucí vědecká komunita od 60. a 70. let 20. století. Na začátku byly urychlovače vytvořeny pro částicovou fyziku. „Parazitický režim“využíval synchrotronové záření, kdy ohybové magnetické záření muselo být extrahováno vyvrtáním dalších otvorů v trubicích paprsku. První úložný prstenec představený jako synchrotronový světelný zdroj byl Tantalus, který byl poprvé uveden na trh v roce 1968. Jak se záření urychlovače stávalo intenzivnějším a jeho aplikace se stávaly slibnějšími, byla do stávajících prstenců zabudována zařízení, která zvyšovala jeho intenzitu. Metoda synchrotronové radiační difrakce byla od samého počátku vyvíjena a optimalizována pro získání vysoce kvalitního rentgenového záření. Uvažuje se o zdrojích čtvrté generace, které budou zahrnovat různé koncepty pro vytváření ultrabrilantních, pulzních, časovaných strukturálních rentgenových paprsků pro extrémně náročné a možná ještě nevytvořené experimenty.
První zařízení
Zpočátku se ke generování tohoto záření používaly ohybové elektromagnety v urychlovačích, ale někdy se k vytvoření silnějšího světelného efektu používala i jiná specializovaná zařízení, vkládací zařízení. Metody difrakce synchrotronového záření (třetí generace) obvykle závisí na zdrojových zařízeních, kde přímé úseky zásobního prstence obsahují periodickémagnetické struktury (obsahující mnoho magnetů ve formě střídajících se pólů N a S), které způsobují pohyb elektronů po sinusové nebo spirálové dráze. Namísto jediného ohybu tedy mnoho desítek či stovek „vírů“v přesně vypočítaných polohách přidává nebo násobí celkovou intenzitu paprsku. Tato zařízení se nazývají wigglery nebo undulátory. Hlavním rozdílem mezi undulátorem a wigglerem je intenzita jejich magnetického pole a amplituda odchylky od přímé dráhy elektronů. Všechna tato zařízení a mechanismy jsou nyní uloženy v Centru pro synchrotronové záření (USA).
Extrakce
Akumulátor má otvory, které umožňují částicím opustit radiační pozadí a sledovat linii paprsku do vakuové komory experimentátora. Velké množství takových paprsků může pocházet z moderních zařízení synchrotronového záření třetí generace.
Elektrony lze extrahovat ze skutečného urychlovače a uložit je do pomocného magnetického úložiště s ultravysokým vakuem, odkud je lze extrahovat (a kde je lze reprodukovat) mnohokrát. Magnety v prstenci také musí paprsek opakovaně stlačovat proti "Coulombovým silám" (nebo jednodušeji vesmírným nábojům), které mají tendenci ničit svazky elektronů. Změna směru je forma zrychlení, protože elektrony vyzařují záření o vysokých energiích a vysokých rychlostech zrychlení v urychlovači částic. Na stejné rychlosti zpravidla závisí i jas synchrotronového záření.
