Phổ của bức xạ synctron không lớn lắm. Có nghĩa là, nó chỉ có thể được chia thành một số loại. Nếu hạt không tương đối tính, thì bức xạ như vậy được gọi là phát xạ cyclotron. Mặt khác, nếu các hạt có bản chất là tương đối tính, thì các bức xạ sinh ra từ sự tương tác của chúng đôi khi được gọi là siêu tương quan. Bức xạ đồng bộ có thể đạt được bằng cách nhân tạo (trong các đồng bộ hoặc vòng lưu trữ) hoặc tự nhiên do các điện tử di chuyển nhanh trong từ trường. Do đó, bức xạ được tạo ra có sự phân cực đặc trưng và các tần số được tạo ra có thể thay đổi trên toàn bộ phổ điện từ, còn được gọi là bức xạ liên tục.
Khai mạc
Hiện tượng này được đặt tên theo máy phát điện đồng bộ General Electric được chế tạo vào năm 1946. Sự tồn tại của nó được các nhà khoa học Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir và Herb công bố vào tháng 5 năm 1947Pollock trong bức thư của mình "Bức xạ từ các electron trong synctron". Nhưng đây chỉ là một khám phá lý thuyết, bạn sẽ đọc về quan sát thực tế đầu tiên về hiện tượng này bên dưới.
Nguồn
Khi các hạt năng lượng cao đang ở trong gia tốc, bao gồm cả các electron bị buộc chuyển động dọc theo một đường cong bởi từ trường, bức xạ synctron được tạo ra. Điều này tương tự như một ăng ten vô tuyến, nhưng với sự khác biệt về mặt lý thuyết là tốc độ tương đối tính sẽ thay đổi tần số quan sát do hiệu ứng Doppler bởi hệ số Lorentz γ. Việc rút ngắn độ dài tương đối tính sau đó chạm vào tần số quan sát được bởi một yếu tố khác γ, do đó làm tăng tần số GHz của khoang cộng hưởng làm tăng tốc các electron trong dải tia X. Công suất bức xạ được xác định bằng công thức Larmor tương đối tính và lực tác động lên điện tử bức xạ được xác định bởi lực Abraham-Lorentz-Dirac.
Tính năng khác
Dạng bức xạ có thể bị biến dạng từ dạng lưỡng cực đẳng hướng thành dạng bức xạ hình nón có hướng cao. Bức xạ đồng bộ điện tử là nguồn tia X. nhân tạo sáng nhất.
Dạng hình học của gia tốc phẳng dường như làm cho bức xạ phân cực tuyến tính khi nhìn trong mặt phẳng của quỹ đạo và phân cực tròn khi nhìn ở một góc nhỏ so với mặt phẳng đó. Tuy nhiên, biên độ và tần số được tập trung vào hoàng đạo cực.
Nguồn bức xạ synctron cũng là một nguồn bức xạ điện từ (EM), làmột vòng lưu trữ được thiết kế cho các mục đích khoa học và kỹ thuật. Bức xạ này không chỉ được tạo ra bởi các vòng lưu trữ, mà còn được tạo ra bởi các máy gia tốc hạt chuyên dụng khác, thường là gia tốc các electron. Khi một chùm điện tử năng lượng cao được tạo ra, nó sẽ được hướng đến các thành phần phụ trợ như nam châm uốn và thiết bị chèn (bộ giảm chấn hoặc bộ chuyển động). Chúng cung cấp từ trường mạnh, chùm tia vuông góc, cần thiết để chuyển đổi các điện tử năng lượng cao thành các photon.
Sử dụng bức xạ synctron
Các ứng dụng chính của ánh sáng synctron là vật lý vật chất ngưng tụ, khoa học vật liệu, sinh học và y học. Hầu hết các thí nghiệm sử dụng ánh sáng synctron đều liên quan đến việc nghiên cứu cấu trúc của vật chất từ cấp độ cấu trúc điện tử dưới nanomet đến cấp độ micromet và milimet, điều này rất quan trọng đối với hình ảnh y học. Một ví dụ về ứng dụng công nghiệp thực tế là sản xuất các cấu trúc vi mô bằng quy trình LIGA.
Bức xạ đồng bộ cũng được tạo ra bởi các vật thể thiên văn, thường là nơi các electron tương đối tính xoắn ốc (và do đó thay đổi tốc độ) thông qua từ trường.
Lịch sử
Bức xạ này lần đầu tiên được phát hiện trong một tên lửa được bắn bởi Messier 87 vào năm 1956 bởi Geoffrey R. Burbidge, người coi nó như một sự xác nhận cho tiên đoán của Iosif Shklovsky vào năm 1953, nhưng nó đã được dự đoán sớm hơn bởi Hannes Alfven và Nikolai Herlofson trong Năm 1950. Pháo sáng mặt trời tăng tốc các hạtphát ra theo cách này, theo đề xuất của R. Giovanolli vào năm 1948 và được Piddington mô tả một cách nghiêm túc vào năm 1952.
Không gian
Các lỗ đen siêu lớn được đề xuất để tạo ra bức xạ synctron bằng cách đẩy các tia phản lực được tạo ra bởi các ion gia tốc trọng trường qua các vùng cực "hình ống" siêu ghi của từ trường. Những phản lực như vậy, lần gần nhất trong số chúng là Messier 87, được kính thiên văn Hubble xác định là tín hiệu siêu hạng di chuyển với tần số 6 × s (gấp sáu lần tốc độ ánh sáng) từ khung hành tinh của chúng ta. Hiện tượng này là do các tia phản lực bay rất gần với tốc độ ánh sáng và ở một góc rất nhỏ so với người quan sát. Vì các máy bay phản lực tốc độ cao phát ra ánh sáng tại mọi điểm dọc theo đường đi của chúng, nên ánh sáng chúng phát ra không tiếp cận người quan sát nhanh hơn nhiều so với bản thân máy bay phản lực. Do đó, ánh sáng phát ra trong hàng trăm năm di chuyển tới người quan sát trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều (mười hoặc hai mươi năm). Không vi phạm thuyết tương đối hẹp trong hiện tượng này.
Gần đây đã phát hiện thấy một sự phát xạ xung bức xạ gamma từ một tinh vân có độ sáng lên tới ≧ 25 GeV, có thể là do sự phát xạ synctron bởi các electron bị mắc kẹt trong một từ trường mạnh xung quanh pulsar. Một nhóm các nguồn thiên văn mà sự phát xạ synctron là quan trọng là tinh vân gió pulsar, hay còn gọi là nhiều tinh vân, trong đó Tinh vân Con cua và các pulsar liên quan của nó là nguyên mẫu. Sự phân cực trong tinh vân Con Cua ở năng lượng từ 0,1 đến 1,0 MeV là bức xạ synctron điển hình.
Sơ lược về tính toán và va chạm
Trong các phương trình về chủ đề này, các thuật ngữ hoặc giá trị đặc biệt thường được viết, tượng trưng cho các hạt tạo nên cái gọi là trường vận tốc. Các thuật ngữ này đại diện cho ảnh hưởng của trường tĩnh của hạt, là một hàm của thành phần vận tốc bằng không hoặc không đổi trong chuyển động của nó. Ngược lại, số hạng thứ hai giảm xuống là nghịch đảo của công suất thứ nhất của khoảng cách từ nguồn, và một số số hạng được gọi là trường gia tốc hoặc trường bức xạ vì chúng là thành phần của trường do gia tốc của điện tích (thay đổi tốc độ).
Vì vậy, công suất bức xạ được chia tỷ lệ như năng lượng của lũy thừa thứ tư. Bức xạ này giới hạn năng lượng của máy va chạm tròn electron-positron. Thông thường, các máy va chạm proton thay vào đó bị giới hạn bởi từ trường cực đại. Do đó, chẳng hạn, Máy va chạm Hadron Lớn có khối lượng tâm cao gấp 70 lần so với bất kỳ máy gia tốc hạt nào khác, ngay cả khi khối lượng của một proton gấp 2000 lần khối lượng của electron.
Thuật ngữ
Các lĩnh vực khoa học khác nhau thường có những cách định nghĩa thuật ngữ khác nhau. Thật không may, trong lĩnh vực tia X, một số thuật ngữ có nghĩa giống như "bức xạ". Một số tác giả sử dụng thuật ngữ "độ sáng", đã từng được sử dụng để chỉ độ sáng trắc quang hoặc được sử dụng không chính xác chochỉ định của bức xạ đo bức xạ. Cường độ có nghĩa là mật độ năng lượng trên một đơn vị diện tích, nhưng đối với các nguồn tia X, nó thường có nghĩa là độ chói.
Cơ chế xuất hiện
Bức xạ đồng bộ có thể xảy ra trong máy gia tốc dưới dạng một lỗi không lường trước được, gây ra tổn thất năng lượng không mong muốn trong bối cảnh vật lý hạt hoặc như một nguồn bức xạ được thiết kế có chủ ý cho nhiều ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Các electron được tăng tốc đến tốc độ cao trong một số bước để đạt tới năng lượng cuối cùng thường nằm trong dải gigaelectronvolt. Các êlectron buộc phải chuyển động theo một đường kín bởi từ trường mạnh. Nó tương tự như một ăng-ten vô tuyến, nhưng có điểm khác biệt là tốc độ tương đối tính làm thay đổi tần số quan sát do hiệu ứng Doppler. Sự co Lorentz tương đối tính ảnh hưởng đến tần số gigahertz, do đó nhân nó trong một khoang cộng hưởng làm tăng tốc các electron vào phạm vi tia X. Một hiệu ứng ấn tượng khác của thuyết tương đối là mẫu bức xạ bị biến dạng từ mẫu lưỡng cực đẳng hướng được mong đợi từ lý thuyết phi tương đối thành một hình nón bức xạ cực kỳ có hướng. Điều này làm cho nhiễu xạ bức xạ synctron trở thành cách tốt nhất để tạo ra tia X. Hình học gia tốc phẳng làm cho bức xạ phân cực tuyến tính khi nhìn trong mặt phẳng quỹ đạo và tạo ra phân cực tròn khi nhìn ở một góc nhỏ so với mặt phẳng này.
Công dụng đa dạng
Lợi ích của việc sử dụngBức xạ synctron cho quang phổ và nhiễu xạ đã được thực hiện bởi một cộng đồng khoa học ngày càng phát triển kể từ những năm 1960 và 1970. Ban đầu, máy gia tốc được tạo ra cho vật lý hạt. "Chế độ ký sinh" sử dụng bức xạ synctron, trong đó bức xạ từ trường uốn cong phải được chiết xuất bằng cách khoan các lỗ bổ sung trên các ống chùm tia. Vòng lưu trữ đầu tiên được giới thiệu như một nguồn sáng đồng bộ là Tantalus, được ra mắt lần đầu tiên vào năm 1968. Khi bức xạ của máy gia tốc trở nên cường độ cao hơn và các ứng dụng của nó trở nên hứa hẹn hơn, các thiết bị tăng cường cường độ của nó được tích hợp vào các vòng hiện có. Phương pháp nhiễu xạ bức xạ synctron đã được phát triển và tối ưu hóa ngay từ đầu để thu được tia X chất lượng cao. Các nguồn thế hệ thứ tư đang được xem xét, sẽ bao gồm các khái niệm khác nhau để tạo ra các tia X cấu trúc siêu rực rỡ, phát xung, định thời cho các thí nghiệm cực kỳ khắt khe và có lẽ là chưa được xử lý.
Thiết bị đầu tiên
Lúc đầu, nam châm điện uốn cong trong máy gia tốc được sử dụng để tạo ra bức xạ này, nhưng các thiết bị chuyên dụng khác, thiết bị chèn, đôi khi được sử dụng để tạo ra hiệu ứng ánh sáng mạnh hơn. Các phương pháp nhiễu xạ bức xạ synctron (thế hệ thứ ba) thường phụ thuộc vào các thiết bị nguồn, nơi các phần thẳng của vòng lưu trữ chứa tuần hoàncấu trúc từ (chứa nhiều nam châm ở dạng các cực N và S xen kẽ) làm cho các electron chuyển động theo đường hình sin hoặc hình xoắn ốc. Do đó, thay vì một lần uốn cong, nhiều hàng chục hoặc hàng trăm "xoáy" ở các vị trí được tính toán chính xác sẽ cộng hoặc nhân với cường độ tổng thể của chùm tia. Những thiết bị này được gọi là wigglers hoặc undulators. Sự khác biệt chính giữa vật giả và vật lắc là cường độ từ trường của chúng và biên độ của độ lệch khỏi đường đi trực tiếp của các electron. Tất cả các thiết bị và cơ chế này hiện được lưu trữ tại Trung tâm Bức xạ Synchrotron (Hoa Kỳ).
Chiết
Bộ tích tụ có các lỗ cho phép các hạt rời khỏi phông bức xạ và theo đường của chùm tia tới buồng chân không của nhà thí nghiệm. Một số lượng lớn các chùm tia như vậy có thể đến từ các thiết bị bức xạ synctron thế hệ thứ ba hiện đại.
Các điện tử có thể được chiết xuất từ máy gia tốc thực tế và được lưu trữ trong một kho chứa từ tính chân không cực cao phụ trợ, từ đó chúng có thể được chiết xuất (và nơi chúng có thể được tái tạo) một số lượng lớn. Các nam châm trong vòng cũng phải liên tục nén lại chùm tia chống lại "lực Coulomb" (hay đơn giản hơn là các điện tích không gian) có xu hướng phá hủy các chùm electron. Thay đổi hướng là một dạng của gia tốc, vì các electron phát ra bức xạ ở năng lượng cao và tốc độ gia tốc lớn trong máy gia tốc hạt. Theo quy luật, độ sáng của bức xạ synctron cũng phụ thuộc vào cùng một tốc độ.
