L'espectre de la radiació de sincrotró no és tan gran. És a dir, només es pot dividir en uns quants tipus. Si la partícula no és relativista, aquesta radiació s'anomena emissió de ciclotró. Si, en canvi, les partícules són de naturalesa relativista, aleshores les radiacions resultants de la seva interacció s'anomenen de vegades ultrarelativistes. La radiació síncrona es pot aconseguir de manera artificial (en sincrotrons o anells d'emmagatzematge) o de manera natural a causa del moviment ràpid dels electrons a través dels camps magnètics. La radiació així produïda té una polarització característica i les freqüències generades poden variar en tot l'espectre electromagnètic, també anomenada radiació continua.
Obertura
Aquest fenomen va rebre el nom d'un generador de sincrotró de General Electric construït el 1946. La seva existència va ser anunciada el maig de 1947 pels científics Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir i Herb. Pollock a la seva carta "La radiació dels electrons al sincrotró". Però això només va ser un descobriment teòric, a continuació llegireu sobre la primera observació real d'aquest fenomen.
Fonts
Quan les partícules d' alta energia estan en acceleració, inclosos els electrons obligats a moure's per una trajectòria corba per un camp magnètic, es produeix radiació de sincrotró. Això és similar a una antena de ràdio, però amb la diferència que teòricament la velocitat relativista canviarà la freqüència observada a causa de l'efecte Doppler pel coeficient de Lorentz γ. L'escurçament de la longitud relativista arriba a la freqüència observada per un altre factor γ, augmentant així la freqüència GHz de la cavitat ressonant que accelera els electrons en el rang de raigs X. La potència radiada està determinada per la fórmula relativista de Larmor, i la força sobre l'electró radiat està determinada per la força d'Abraham-Lorentz-Dirac.
Altres funcions
El patró de radiació es pot distorsionar des d'un patró dipol isòtrop a un con de radiació altament dirigit. La radiació de sincrotró electrònic és la font artificial més brillant de raigs X.
La geometria de l'acceleració plana sembla que la radiació es polaritza linealment quan es veu al pla de l'òrbita i circularment polaritzada quan es veu amb un angle lleuger respecte a aquest pla. L'amplitud i la freqüència, però, es centren a l'eclíptica polar.
La font de radiació de sincrotró també és una font de radiació electromagnètica (EM), que ésun anell d'emmagatzematge dissenyat amb finalitats científiques i tècniques. Aquesta radiació es produeix no només pels anells d'emmagatzematge, sinó també per altres acceleradors de partícules especialitzats, generalment acceleradors d'electrons. Un cop generat un feix d'electrons d' alta energia, es dirigeix a components auxiliars com els imants de flexió i els dispositius d'inserció (onduladors o wigglers). Proporcionen camps magnètics forts, feixos perpendiculars, que són necessaris per convertir electrons d' alta energia en fotons.
Ús de la radiació de sincrotró
Les principals aplicacions de la llum de sincrotró són la física de la matèria condensada, la ciència dels materials, la biologia i la medicina. La majoria dels experiments amb llum de sincrotró estan relacionats amb l'estudi de l'estructura de la matèria des del nivell subnanomètric de l'estructura electrònica fins al nivell de micròmetre i mil·límetre, que és important per a la imatge mèdica. Un exemple d'aplicació industrial pràctica és la producció de microestructures mitjançant el procés LIGA.
La radiació de sincrotró també la generen objectes astronòmics, normalment on els electrons relativistes espiran (i, per tant, canvien de velocitat) a través de camps magnètics.
Història
Aquesta radiació va ser descoberta per primera vegada en un coet llançat per Messier 87 l'any 1956 per Geoffrey R. Burbidge, que la va veure com una confirmació de la predicció d'Iosif Shklovsky el 1953, però la van predir anteriorment Hannes Alfven i Nikolai Herlofson a 1950. Les erupcions solars acceleren les partículesque emeten d'aquesta manera, tal com va proposar R. Giovanolli el 1948 i descrit críticament per Piddington el 1952.
Espai
Es proposa que els forats negres supermassius creïn radiació de sincrotró empenyent els dolls creats per l'acceleració gravitacional dels ions a través de regions polars "tubulars" supercordades de camps magnètics. Aquests jets, els més propers a Messier 87, van ser identificats pel telescopi Hubble com a senyals superlumínics que es mouen a una freqüència de 6 × s (sis vegades la velocitat de la llum) des del nostre marc planetari. Aquest fenomen és causat perquè els dolls viatgen molt a prop de la velocitat de la llum i amb un angle molt petit respecte a l'observador. Com que els dolls d' alta velocitat emeten llum en tots els punts del seu recorregut, la llum que emeten no s'acosta a l'observador molt més ràpid que el propi raig. Així, la llum emesa durant centenars d'anys de viatge arriba a l'observador durant un període de temps molt més curt (deu o vint anys). No hi ha cap violació de la teoria especial de la relativitat en aquest fenomen.
Recentment s'ha detectat una emissió impulsiva de radiació gamma d'una nebulosa amb una brillantor de fins a ≧25 GeV, probablement a causa de l'emissió de sincrotró per electrons atrapats en un fort camp magnètic al voltant del púlsar. Una classe de fonts astronòmiques on l'emissió de sincrotró és important són les nebuloses de vent púlsar, o plerions, de les quals la nebulosa del cranc i el seu púlsar associat són arquetípics. La polarització a la nebulosa del cranc a energies entre 0,1 i 1,0 MeV és la típica radiació de sincrotró.
Breument sobre el càlcul i els col·lisionadors
En les equacions sobre aquest tema, sovint s'escriuen termes o valors especials, simbolitzant les partícules que formen l'anomenat camp de velocitat. Aquests termes representen l'efecte del camp estàtic de la partícula, que és una funció de la component de velocitat zero o constant del seu moviment. Al contrari, el segon terme cau com el recíproc de la primera potència de la distància des de la font, i alguns termes s'anomenen camp d'acceleració o camp de radiació perquè són components del camp a causa de l'acceleració de la càrrega (canvi de velocitat).
Així, la potència radiada s'escala com una energia de la quarta potència. Aquesta radiació limita l'energia del col·lisionador circular electró-positró. Normalment, els col·lisionadors de protons estan limitats pel camp magnètic màxim. Per tant, per exemple, el Gran Col·lisionador d'Hadrons té un centre d'energia de massa 70 vegades més gran que qualsevol altre accelerador de partícules, encara que la massa d'un protó sigui 2000 vegades la d'un electró.
Terminologia
Els diferents camps de la ciència sovint tenen maneres diferents de definir els termes. Malauradament, en el camp dels raigs X, diversos termes signifiquen el mateix que "radiació". Alguns autors utilitzen el terme "brillantor", que abans s'utilitzava per referir-se a la brillantor fotomètrica, o s'utilitzava incorrectament per adesignacions de radiació radiomètrica. Intensitat significa densitat de potència per unitat d'àrea, però per a fonts de raigs X normalment significa brillantor.
Mecanisme d'ocurrència
La radiació de sincrotró pot ocórrer als acceleradors com a error imprevist, que provoca pèrdues d'energia no desitjades en el context de la física de partícules, o com a font de radiació dissenyada deliberadament per a nombroses aplicacions de laboratori. Els electrons s'acceleren a altes velocitats en diversos passos per assolir una energia final que sol estar en el rang de gigaelectronvolts. Els electrons es veuen obligats a moure's en un camí tancat per camps magnètics forts. És semblant a una antena de ràdio, però amb la diferència que la velocitat relativista modifica la freqüència observada a causa de l'efecte Doppler. La contracció relativista de Lorentz afecta la freqüència del gigahertz, multiplicant-la així en una cavitat ressonant que accelera els electrons al rang de raigs X. Un altre efecte dramàtic de la relativitat és que el patró de radiació es distorsiona des del patró dipol isotròpic esperat de la teoria no relativista fins a un con de radiació extremadament dirigit. Això fa que la difracció de la radiació de sincrotró sigui la millor manera de crear raigs X. La geometria d'acceleració plana fa que la radiació es polaritza linealment quan es veu al pla de l'òrbita i crea polarització circular quan es veu amb un angle lleuger respecte a aquest pla.
Ús diversos
Benefits d'utilitzarLa radiació de sincrotró per a l'espectroscòpia i la difracció ha estat implementada per una comunitat científica en constant creixement des dels anys 60 i 70. Al principi, es van crear acceleradors per a la física de partícules. El "mode paràsit" utilitzava radiació de sincrotró, on la radiació magnètica de flexió s'havia d'extreure perforant forats addicionals als tubs del feix. El primer anell d'emmagatzematge introduït com a font de llum de sincrotró va ser Tantalus, que es va llançar per primera vegada el 1968. A mesura que la radiació de l'accelerador es va fer més intensa i les seves aplicacions es van tornar més prometedores, els dispositius que milloraven la seva intensitat es van incorporar als anells existents. El mètode de difracció de la radiació de sincrotró es va desenvolupar i optimitzar des del principi per obtenir raigs X d' alta qualitat. S'estan considerant fonts de quarta generació, que inclouran diversos conceptes per crear raigs X estructurals ultrabrillants, pulsats i cronometrats per a experiments extremadament exigents i potser encara no creats.
Primers dispositius
Al principi, s'utilitzaven electroimants de flexió en acceleradors per generar aquesta radiació, però de vegades s'utilitzaven altres dispositius especialitzats, dispositius d'inserció, per crear un efecte d'il·luminació més fort. Els mètodes de difracció de radiació de sincrotró (tercera generació) solen depenen dels dispositius font, on les seccions rectes de l'anell d'emmagatzematge contenenestructures magnètiques (que contenen molts imants en forma de pols N i S alterns) que fan que els electrons es moguin en una trajectòria sinusoïdal o en espiral. Així, en lloc d'una sola corba, moltes desenes o centenars de "remolins" en posicions calculades amb precisió sumen o multipliquen la intensitat global del feix. Aquests dispositius s'anomenen wigglers o onduladors. La principal diferència entre un ondulador i un wiggler és la intensitat del seu camp magnètic i l'amplitud de la desviació del camí directe dels electrons. Tots aquests dispositius i mecanismes s'emmagatzemen ara al Center for Synchrotron Radiation (EUA).
Extracció
L'acumulador té forats que permeten que les partícules surtin del fons de radiació i segueixin la línia del feix fins a la cambra de buit de l'experimentador. Un gran nombre d'aquests feixos poden provenir de dispositius moderns de radiació de sincrotró de tercera generació.
Els electrons es poden extreure de l'accelerador real i emmagatzemar-los en un emmagatzematge magnètic auxiliar de buit ultra alt, des d'on es poden extreure (i on es poden reproduir) un gran nombre de vegades. Els imants de l'anell també han de recomprimir repetidament el feix contra les "forces de Coulomb" (o, més simplement, les càrregues espacials) que tendeixen a destruir els grups d'electrons. El canvi de direcció és una forma d'acceleració, perquè els electrons emeten radiació a altes energies i velocitats d'acceleració elevades en un accelerador de partícules. Per regla general, la brillantor de la radiació de sincrotró també depèn de la mateixa velocitat.
