הספקטרום של קרינת סינכרוטרונים הוא לא כל כך גדול. כלומר, ניתן לחלק אותו לכמה סוגים בלבד. אם החלקיק אינו יחסי, אז קרינה כזו נקראת פליטת ציקלוטרון. אם, לעומת זאת, החלקיקים הם רלטיביסטיים באופיים, אז הקרנות הנובעות מהאינטראקציה ביניהם נקראות לפעמים אולטרה-יחסיות. קרינה סינכרונית יכולה להיות מושגת באופן מלאכותי (בסינכרוטרונים או טבעות אחסון) או באופן טבעי עקב אלקטרונים מהירים הנעים בשדות מגנטיים. לקרינה המופקת כך יש קיטוב אופייני, והתדרים הנוצרים יכולים להשתנות על פני כל הספקטרום האלקטרומגנטי, הנקראת גם קרינת רצף.
פתיחה
תופעה זו נקראה על שם מחולל סינכרוטרונים של ג'נרל אלקטריק שנבנה ב-1946. קיומו הוכרז במאי 1947 על ידי המדענים פרנק אלדר, אנטולי גורביץ', רוברט לנגמייר והרבפולוק במכתבו "קרינה מאלקטרונים בסינכרוטרון". אבל זה היה רק תגלית תיאורטית, תוכל לקרוא על התצפית האמיתית הראשונה של התופעה הזו להלן.
מקורות
כאשר חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה נמצאים בתאוצה, כולל אלקטרונים הנאלצים לנוע לאורך נתיב מעוקל על ידי שדה מגנטי, נוצרת קרינת סינכרוטרון. זה דומה לאנטנת רדיו, אך בהבדל שבאופן תיאורטי המהירות היחסית תשנה את התדר הנצפה עקב אפקט הדופלר על ידי מקדם לורנץ γ. קיצור האורך הרלטיביסטי פוגע אז בתדר הנצפה על ידי גורם אחר γ, ובכך מגדיל את התדר ג'יגה-הרץ של חלל התהודה המאיץ את האלקטרונים בטווח קרני הרנטגן. הכוח המוקרן נקבע על ידי הנוסחה הרלטיביסטית של לרמור, והכוח על האלקטרון המוקרן נקבע על ידי כוח אברהם-לורנץ-דיראק.
תכונות אחרות
ניתן לעוות את דפוס הקרינה מדפוס דיפול איזוטרופי לקונוס קרינה מכוון מאוד. קרינת סינכרוטרון אלקטרונית היא המקור המלאכותי הבהיר ביותר של קרני רנטגן.
נראה שהגיאומטריה של תאוצה מישורית הופכת את הקרינה למקוטבת ליניארית במבט במישור המסלול ומקוטבת מעגלית כשמסתכלים עליה בזווית קלה לאותו מישור. משרעת ותדר, לעומת זאת, ממוקדים באקליפטיקה הקוטבית.
המקור לקרינת סינכרוטרון הוא גם מקור לקרינה אלקטרומגנטית (EM), שהיאטבעת אחסון המיועדת למטרות מדעיות וטכניות. קרינה זו מיוצרת לא רק על ידי טבעות אחסון, אלא גם על ידי מאיצי חלקיקים מיוחדים אחרים, בדרך כלל מאיצים אלקטרונים. ברגע שנוצרת אלומת אלקטרונים באנרגיה גבוהה, היא מופנית לרכיבי עזר כגון כיפוף מגנטים והתקני החדרה (גללים או מתנועעים). הם מספקים שדות מגנטיים חזקים, אלומות מאונכות, הנחוצות להמרת אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה לפוטונים.
שימוש בקרינת סינכרוטרון
היישומים העיקריים של אור סינכרוטרון הם פיזיקת החומר המעובה, מדעי החומרים, ביולוגיה ורפואה. רוב הניסויים באור סינכרוטרון קשורים לחקר מבנה החומר מרמת התת-ננומטר של המבנה האלקטרוני ועד לרמת המיקרומטר והמילימטר, החשובה להדמיה רפואית. דוגמה ליישום תעשייתי מעשי היא ייצור של מבנים מיקרו באמצעות תהליך LIGA.
קרינת סינכרוטרון נוצרת גם על ידי עצמים אסטרונומיים, בדרך כלל במקום שבו אלקטרונים רלטיביסטיים מסתחררים (ולכן משנים מהירות) דרך שדות מגנטיים.
היסטוריה
קרינה זו התגלתה לראשונה ברקטה שירה מסייר 87 ב-1956 על ידי ג'פרי ר. בורבידג', שראה בה אישור לתחזיתו של יוסיף שקלובסקי ב-1953, אך היא נחבאה קודם לכן על ידי האנס אלפבן וניקולאי הרלופסון בשנת 1950. התלקחויות שמש מאיצות חלקיקיםאשר פולטים בצורה זו, כפי שהוצע על ידי ר' ג'ובנולי ב-1948 ומתואר בביקורתיות על ידי פידינגטון ב-1952.
Space
חורים שחורים סופר-מאסיביים מוצעים ליצור קרינת סינכרוטרון על ידי דחיפת סילונים שנוצרו על ידי יונים המואצים כבידה דרך אזורים קוטביים "צינוריים" בעלי מיתרים של שדות מגנטיים. סילונים כאלה, הקרובים מביניהם במסייר 87, זוהו על ידי טלסקופ האבל כאותות על-לומינליים הנעים בתדר של 6 × s (פי שישה ממהירות האור) מהמסגרת הפלנטרית שלנו. תופעה זו נגרמת על ידי תנועת הסילונים קרוב מאוד למהירות האור ובזווית קטנה מאוד למתבונן. מכיוון שהמטוסים המהירים פולטים אור בכל נקודה לאורך דרכם, האור שהם פולטים לא מתקרב אל הצופה הרבה יותר מהר מהסילון עצמו. אור הנפלט במשך מאות שנות נסיעה מגיע אפוא אל המתבונן בפרק זמן קצר בהרבה (עשר או עשרים שנה). אין שום הפרה של תורת היחסות המיוחדת בתופעה זו.
זוהתה לאחרונה פליטה אימפולסיבית של קרינת גמא מערפילית עם בהירות של עד ≧25 GeV, כנראה בשל פליטת סינכרוטרונים על ידי אלקטרונים הכלואים בשדה מגנטי חזק סביב הפולסר. מחלקה של מקורות אסטרונומיים שבהם חשובה פליטת סינכרוטרונים הם ערפיליות רוח פולסריות, או פלריונים, שערפילית הסרטנים והפולסר הקשור אליה הם ארכיטיפיים.קיטוב בערפילית הסרטנים באנרגיות שבין 0.1 ל-1.0 MeV הוא קרינת סינכרוטרונים טיפוסית.
בקצרה על חישוב ומתנגשים
במשוואות בנושא זה נכתבים לעתים קרובות מונחים או ערכים מיוחדים המסמלים את החלקיקים המרכיבים את מה שנקרא שדה המהירות. מונחים אלו מייצגים את השפעת השדה הסטטי של החלקיק, שהוא פונקציה של רכיב המהירות האפס או הקבוע של תנועתו. להיפך, האיבר השני נופל כהדדיות של החזקה הראשונה של המרחק מהמקור, ומונחים מסוימים נקראים שדה התאוצה או שדה הקרינה מכיוון שהם מרכיבי השדה עקב האצת המטען (שינוי במהירות).
לפיכך, העוצמה המוקרנת משתנה כאנרגיה בחזקת הרביעית. קרינה זו מגבילה את האנרגיה של המתנגש העגול של אלקטרונים-פוזיטרון. בדרך כלל, מתנגדי פרוטונים מוגבלים במקום זאת על ידי השדה המגנטי המרבי. לכן, למשל, למאיץ האדרונים הגדול יש מרכז מסה גבוה פי 70 מכל מאיץ חלקיקים אחר, גם אם המסה של פרוטון היא פי 2000 מזו של אלקטרון.
טרמינולוגיה
לתחומי מדע שונים יש לרוב דרכים שונות להגדיר מונחים. למרבה הצער, בתחום צילומי הרנטגן, מספר מונחים אומרים אותו דבר כמו "קרינה". כמה מחברים משתמשים במונח "בהירות", שפעם שימש להתייחסות לבהירות פוטומטרית, או שימש באופן שגוי עבורכינויים של קרינה רדיומטרית. עוצמה פירושה צפיפות הספק ליחידת שטח, אבל עבור מקורות רנטגן זה אומר בדרך כלל ברק.
מנגנון התרחשות
קרינת סינכרוטרון יכולה להתרחש במאיצים או כשגיאה בלתי צפויה, הגורמת לאובדי אנרגיה לא רצויים בהקשר של פיזיקת החלקיקים, או כמקור קרינה שתוכנן בכוונה עבור יישומי מעבדה רבים. האלקטרונים מואצים למהירויות גבוהות במספר שלבים כדי להגיע לאנרגיה סופית שנמצאת בדרך כלל בתחום הג'יגה-אלקטרון-וולט. אלקטרונים נאלצים לנוע בנתיב סגור על ידי שדות מגנטיים חזקים. זה דומה לאנטנת רדיו, אבל עם ההבדל שהמהירות היחסית משנה את התדר הנצפה עקב אפקט הדופלר. התכווצות לורנץ יחסית משפיעה על תדר הגיגה-הרץ, ובכך מכפילה אותו בחלל תהודה שמאיץ אלקטרונים לתחום קרני הרנטגן. השפעה דרמטית נוספת של תורת היחסות היא שתבנית הקרינה מעוותת מדפוס הדיפול האיזוטרופי המצופה מהתיאוריה הלא-יחסותית לקונוס קרינה מכוון ביותר. זה הופך את עקיפות קרינת סינכרוטרון לדרך הטובה ביותר ליצור קרני רנטגן. גיאומטריית התאוצה השטוחה הופכת את הקרינה למקוטבת ליניארית במבט במישור המסלול ויוצרת קיטוב מעגלי במבט בזווית קלה למישור זה.
שימושים שונים
יתרונות השימושקרינת סינכרוטרונים עבור ספקטרוסקופיה ודיפרקציה יושמה על ידי קהילה מדעית שהולכת וגדלה מאז שנות ה-60 וה-70. בהתחלה נוצרו מאיצים לפיזיקת חלקיקים. "המצב הטפילי" השתמש בקרינת סינכרוטרונים, כאשר הקרינה המגנטית המתכופפת הייתה צריכה להיחלץ על ידי קידוח חורים נוספים בצינורות האלומה. טבעת האחסון הראשונה שהוצגה כמקור אור סינכרוטרון הייתה Tantalus, שהושקה לראשונה ב-1968. ככל שקרינת המאיץ התעצמה והיישומים שלה הפכו מבטיחים יותר, מכשירים שהעצימו את עוצמתה נבנו בטבעות קיימות. שיטת דיפרקציית קרינת סינכרוטרון פותחה ואופטימלית כבר מההתחלה לקבלת קרני רנטגן באיכות גבוהה. נבחנים מקורות דור רביעי, שיכללו מושגים שונים ליצירת קרני רנטגן מבניות מבריקות במיוחד, דופקות ומתוזמנות לניסויים תובעניים ביותר ואולי עדיין לא נוצרו.
מכשירים ראשונים
בתחילה נעשה שימוש באלקטרומגנטים מכופפים במאיצים ליצירת קרינה זו, אך לעתים נעשה שימוש במכשירים מיוחדים אחרים, התקני החדרה, כדי ליצור אפקט תאורה חזק יותר. שיטות של עקיפה של קרינת סינכרוטרון (דור שלישי) תלויות בדרך כלל בהתקני מקור, שבהם החלקים הישרים של טבעת האחסון מכילים תקופתייםמבנים מגנטיים (המכילים מגנטים רבים בצורה של קטבים N ו-S מתחלפים) הגורמים לאלקטרונים לנוע בנתיב סינוסואידי או ספירלי. כך, במקום עיקול בודד, עשרות או מאות רבות של "מערבולות" במיקומים מחושבים במדויק מוסיפים או מכפילים את העוצמה הכוללת של האלומה. התקנים אלה נקראים wigglers או undulators. ההבדל העיקרי בין גליל למנוע הוא עוצמת השדה המגנטי שלהם ומשרעת הסטייה מהנתיב הישיר של האלקטרונים. כל המכשירים והמנגנונים הללו מאוחסנים כעת במרכז לקרינת סינכרוטרון (ארה"ב).
Extraction
למצבר יש חורים המאפשרים לחלקיקים לצאת מרקע הקרינה ולעקוב אחר קו הקרן אל תא הוואקום של הנסיין. מספר רב של אלומות כאלה עשוי להגיע ממכשירי קרינה סינכרוטרוניים מודרניים מהדור השלישי.
ניתן לחלץ אלקטרונים מהמאיץ בפועל ולאחסן אותם באחסון מגנטי ואקום גבוה במיוחד, משם ניתן לחלץ אותם (ושם ניתן לשחזר אותם) מספר רב של פעמים. המגנטים בטבעת חייבים גם לדחוס שוב ושוב את האלומה כנגד "כוחות קולומב" (או, יותר פשוט, מטעני החלל) הנוטים להרוס את צרורות האלקטרונים. שינוי כיוון הוא סוג של תאוצה, מכיוון שהאלקטרונים פולטים קרינה באנרגיות גבוהות ובמהירות תאוצה גבוהה במאיץ חלקיקים. ככלל, הבהירות של קרינת סינכרוטרון תלויה גם באותה מהירות.
