Das Spektrum der Synchrotronstrahlung ist nicht so groß. Das heißt, es kann nur in wenige Typen unterteilt werden. Wenn das Teilchen nichtrelativistisch ist, wird diese Strahlung als Zyklotronemission bezeichnet. Wenn die Teilchen andererseits relativistischer Natur sind, werden die aus ihrer Wechselwirkung resultierenden Strahlungen manchmal als ultrarelativistisch bezeichnet. Synchronstrahlung kann entweder künstlich (in Synchrotrons oder Speicherringen) oder natürlich durch schnelle Elektronen, die sich durch Magnetfelder bewegen, erreicht werden. Die so erzeugte Strahlung hat eine charakteristische Polarisation, und die erzeugten Frequenzen können über das gesamte elektromagnetische Spektrum, auch Kontinuumstrahlung genannt, variieren.
Eröffnung
Dieses Phänomen wurde nach einem Synchrotrongenerator von General Electric benannt, der 1946 gebaut wurde. Seine Existenz wurde im Mai 1947 von den Wissenschaftlern Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir und Herb bekannt gegebenPollock in seinem Brief „Strahlung von Elektronen im Synchrotron“. Aber dies war nur eine theoretische Entdeckung, Sie werden weiter unten über die erste echte Beobachtung dieses Phänomens lesen.
Quellen
Wenn hochenergetische Teilchen beschleunigt werden, einschließlich Elektronen, die durch ein Magnetfeld gezwungen werden, sich entlang einer gekrümmten Bahn zu bewegen, wird Synchrotronstrahlung erzeugt. Dies ähnelt einer Radioantenne, jedoch mit dem Unterschied, dass theoretisch die relativistische Geschwindigkeit die beobachtete Frequenz aufgrund des Doppler-Effekts um den Lorentz-Koeffizienten γ ändert. Die Verkürzung der relativistischen Länge trifft dann die beobachtete Frequenz um einen weiteren Faktor γ und erhöht damit die Frequenz GHz des Hohlraumresonators, der die Elektronen im Röntgenbereich beschleunigt. Die abgestrahlte Leistung wird durch die relativistische Larmor-Formel und die Kraft auf das abgestrahlte Elektron durch die Abraham-Lorentz-Dirac-Kraft bestimmt.
Weitere Funktionen
Das Strahlungsmuster kann von einem isotropen Dipolmuster in einen stark gerichteten Strahlungskegel verzerrt werden. Elektronen-Synchrotronstrahlung ist die hellste künstliche Röntgenquelle.
Die Geometrie der planaren Beschleunigung scheint die Strahlung linear polarisiert zu machen, wenn sie in der Ebene der Umlaufbahn betrachtet wird, und zirkular polarisiert, wenn sie in einem leichten Winkel zu dieser Ebene betrachtet wird. Amplitude und Frequenz sind jedoch auf der Polarekliptik zentriert.
Die Synchrotronstrahlungsquelle ist auch eine elektromagnetische Strahlungsquelle (EM).ein für wissenschaftliche und technische Zwecke konzipierter Speicherring. Diese Strahlung wird nicht nur von Speicherringen erzeugt, sondern auch von anderen spezialisierten Teilchenbeschleunigern, die normalerweise Elektronen beschleunigen. Sobald ein hochenergetischer Elektronenstrahl erzeugt ist, wird er auf Hilfskomponenten wie Biegemagnete und Einführvorrichtungen (Undulatoren oder Wiggler) gerichtet. Sie liefern starke Magnetfelder, senkrechte Strahlen, die notwendig sind, um hochenergetische Elektronen in Photonen umzuwandeln.
Nutzung von Synchrotronstrahlung
Die Hauptanwendungen von Synchrotronlicht sind Physik der kondensierten Materie, Materialwissenschaften, Biologie und Medizin. Die meisten Experimente mit Synchrotronlicht beziehen sich auf die Untersuchung der Struktur von Materie von der Subnanometerebene der elektronischen Struktur bis zur Mikrometer- und Millimeterebene, was für die medizinische Bildgebung wichtig ist. Ein Beispiel für eine praktische industrielle Anwendung ist die Herstellung von Mikrostrukturen nach dem LIGA-Verfahren.
Synchrotronstrahlung wird auch von astronomischen Objekten erzeugt, normalerweise dort, wo sich relativistische Elektronen durch Magnetfelder winden (und daher ihre Geschwindigkeit ändern).
Verlauf
Diese Strahlung wurde erstmals 1956 in einer von Messier 87 abgefeuerten Rakete von Geoffrey R. Burbidge entdeckt, der sie als Bestätigung von Iosif Shklovskys Vorhersage von 1953 ansah, aber sie wurde früher von Hannes Alfven und Nikolai Herlofson vorhergesagt 1950. Sonneneruptionen beschleunigen Teilchendie auf diese Weise emittieren, wie von R. Giovanolli 1948 vorgeschlagen und von Piddington 1952 kritisch beschrieben.
Leertaste
Es wird vorgeschlagen, dass supermassereiche Schwarze Löcher Synchrotronstrahlung erzeugen, indem sie Jets, die durch Gravitationsbeschleunigung von Ionen erzeugt werden, durch superkordierte "röhrenförmige" Polarregionen von Magnetfeldern schieben. Solche Jets, die nächsten von ihnen in Messier 87, wurden vom Hubble-Teleskop als superluminale Signale identifiziert, die sich mit einer Frequenz von 6 × s (sechsfache Lichtgeschwindigkeit) von unserem Planetensystem wegbewegen. Dieses Phänomen wird dadurch verursacht, dass die Jets sehr nahe an Lichtgeschwindigkeit und in einem sehr kleinen Winkel zum Beobachter fliegen. Da die Hochgeschwindigkeitsjets an jedem Punkt ihres Weges Licht aussenden, nähert sich das Licht, das sie aussenden, dem Beobachter nicht viel schneller als der Jet selbst. Licht, das über Hunderte von Jahren hinweg emittiert wird, erreicht den Beobachter daher in einem viel kürzeren Zeitraum (zehn oder zwanzig Jahre). Bei diesem Phänomen liegt kein Verstoß gegen die spezielle Relativitätstheorie vor.
Eine impulsive Emission von Gammastrahlung aus einem Nebel mit einer Helligkeit von bis zu ≧25 GeV wurde kürzlich entdeckt, wahrscheinlich aufgrund einer Synchrotronemission von Elektronen, die in einem starken Magnetfeld um den Pulsar herum gefangen sind. Eine Klasse von astronomischen Quellen, bei denen die Synchrotronemission wichtig ist, sind Pulsarwindnebel oder Plerionen, für die der Krebsnebel und der damit verbundene Pulsar archetypisch sind. Polarisation im Krebsnebel bei Energien zwischen 0,1 und 1,0 MeV ist typische Synchrotronstrahlung.
Kurz über Berechnung und Collider
In Gleichungen zu diesem Thema werden oft spezielle Terme oder Werte geschrieben, die die Teilchen symbolisieren, aus denen das sogenannte Geschwindigkeitsfeld besteht. Diese Terme stellen die Wirkung des statischen Feldes des Teilchens dar, das eine Funktion der Null- oder Konstantgeschwindigkeitskomponente seiner Bewegung ist. Im Gegensatz dazu fällt der zweite Term als Kehrwert der ersten Potenz des Abstands von der Quelle ab, und einige Terme werden als Beschleunigungsfeld oder Strahlungsfeld bezeichnet, weil sie aufgrund der Beschleunigung der Ladung Komponenten des Felds sind (Geschwindigkeitsänderung).
Daher wird die abgestrahlte Leistung als Energie der vierten Potenz skaliert. Diese Strahlung begrenzt die Energie des Elektron-Positron-Circular Colliders. Typischerweise sind Protonencollider stattdessen durch das maximale Magnetfeld begrenzt. Daher hat zum Beispiel der Large Hadron Collider einen 70-mal höheren Massenschwerpunkt als jeder andere Teilchenbeschleuniger, selbst wenn die Masse eines Protons 2000-mal so groß ist wie die eines Elektrons.
Terminologie
Unterschiedliche Wissenschaftsbereiche haben oft unterschiedliche Definitionen von Begriffen. Leider bedeuten im Bereich Röntgen viele Begriffe dasselbe wie „Strahlung“. Einige Autoren verwenden den Begriff "Helligkeit", der sich früher auf die photometrische Helligkeit bezog oder fälschlicherweise für verwendet wurdeBezeichnungen der radiometrischen Strahlung. Intensität bedeutet Leistungsdichte pro Flächeneinheit, bei Röntgenquellen aber meist Brillanz.
Vorgangsmechanismus
Synchrotronstrahlung kann in Beschleunigern entweder als unvorhergesehener Fehler mit ungewollten Energieverlusten im Rahmen der Teilchenphysik oder als gezielt ausgelegte Strahlungsquelle für zahlreiche Laboranwendungen auftreten. Die Elektronen werden in mehreren Stufen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, um eine Endenergie zu erreichen, die meist im Gigaelektronenvolt-Bereich liegt. Elektronen werden durch starke Magnetfelder gezwungen, sich auf einer geschlossenen Bahn zu bewegen. Es ähnelt einer Radioantenne, jedoch mit dem Unterschied, dass die relativistische Geschwindigkeit die beobachtete Frequenz aufgrund des Dopplereffekts ändert. Die relativistische Lorentz-Kontraktion beeinflusst die Gigahertz-Frequenz und vervielfacht sie dadurch in einem Hohlraumresonator, der Elektronen in den Röntgenbereich beschleunigt. Ein weiterer dramatischer Effekt der Relativitätstheorie besteht darin, dass das Strahlungsmuster von dem isotropen Dipolmuster, das von der nicht-relativistischen Theorie erwartet wird, zu einem extrem gerichteten Strahlungskegel verzerrt wird. Dies macht die Synchrotronstrahlungsbeugung zum besten Weg, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Die flache Beschleunigungsgeometrie macht die Strahlung linear polarisiert, wenn sie in der Ebene der Umlaufbahn betrachtet wird, und erzeugt eine zirkulare Polarisation, wenn sie in einem leichten Winkel zu dieser Ebene betrachtet wird.
Verschiedene Verwendung
Vorteile der VerwendungSynchrotronstrahlung für Spektroskopie und Beugung werden seit den 1960er und 1970er Jahren von einer ständig wachsenden wissenschaftlichen Gemeinschaft eingesetzt. Am Anfang wurden Beschleuniger für die Teilchenphysik gebaut. Der "parasitäre Modus" verwendete Synchrotronstrahlung, bei der die magnetische Biegestrahlung durch Bohren zusätzlicher Löcher in den Strahlrohren extrahiert werden musste. Der erste Speicherring, der als Synchrotron-Lichtquelle eingeführt wurde, war Tantalus, der erstmals 1968 gestartet wurde. Als die Beschleunigerstrahlung intensiver wurde und ihre Anwendungen vielversprechender wurden, wurden Geräte, die ihre Intensität verstärkten, in bestehende Ringe eingebaut. Das Synchrotronstrahlungsbeugungsverfahren wurde von Anfang an entwickelt und optimiert, um qualitativ hochwertiges Röntgenlicht zu erh alten. Quellen der vierten Generation werden in Betracht gezogen, die verschiedene Konzepte zur Erzeugung ultrabrillanter, gepulster, zeitgesteuerter Strukturröntgenstrahlen für extrem anspruchsvolle und vielleicht noch nicht geschaffene Experimente beinh alten werden.
Erste Geräte
Zunächst wurden gebogene Elektromagnete in Beschleunigern verwendet, um diese Strahlung zu erzeugen, aber manchmal wurden andere spezialisierte Geräte, Insertionsgeräte, verwendet, um einen stärkeren Lichteffekt zu erzeugen. Methoden der Synchrotronstrahlungsbeugung (dritte Generation) beruhen in der Regel auf Quellgeräten, bei denen die geraden Abschnitte des Speicherrings periodische enth altenmagnetische Strukturen (die viele Magnete in Form von abwechselnden N- und S-Polen enth alten), die bewirken, dass sich Elektronen auf einem sinusförmigen oder spiralförmigen Weg bewegen. Anstelle einer einzelnen Krümmung addieren oder multiplizieren somit viele Dutzend oder Hunderte von "Wirbeln" an genau berechneten Positionen die Gesamtintensität des Strahls. Diese Geräte werden Wiggler oder Undulatoren genannt. Der Hauptunterschied zwischen einem Undulator und einem Wiggler ist die Intensität ihres Magnetfelds und die Amplitude der Abweichung von der direkten Bahn der Elektronen. All diese Geräte und Mechanismen werden jetzt im Center for Synchrotron Radiation (USA) aufbewahrt.
Extraktion
Der Akkumulator hat Löcher, die es Partikeln ermöglichen, den Strahlungshintergrund zu verlassen und der Strahllinie zur Vakuumkammer des Experimentators zu folgen. Eine große Anzahl solcher Strahlen könnte von modernen Synchrotronstrahlungsgeräten der dritten Generation stammen.
Elektronen können aus dem eigentlichen Beschleuniger extrahiert und in einem zusätzlichen Ultrahochvakuum-Magnetspeicher gespeichert werden, aus dem sie viele Male extrahiert (und reproduziert) werden können. Die Magnete im Ring müssen den Strahl auch immer wieder gegen die "Coulomb-Kräfte" (oder einfacher Raumladungen) komprimieren, die dazu neigen, die Elektronenpakete zu zerstören. Die Richtungsänderung ist eine Form der Beschleunigung, weil Elektronen in einem Teilchenbeschleuniger Strahlung mit hohen Energien und hohen Beschleunigungsgeschwindigkeiten abgeben. Von der gleichen Geschwindigkeit hängt in der Regel auch die Helligkeit der Synchrotronstrahlung ab.
