طیف تشعشعات سنکروترون چندان بزرگ نیست. یعنی فقط می توان آن را به چند نوع تقسیم کرد. اگر ذره غیر نسبیتی باشد، چنین تشعشعی را گسیل سیکلوترون می نامند. از سوی دیگر، اگر ذرات ماهیت نسبیتی داشته باشند، تابش های حاصل از برهم کنش آنها را گاهی اوقات فرانسبیتی می نامند. تابش همزمان می تواند به صورت مصنوعی (در سنکروترون ها یا حلقه های ذخیره سازی) یا به طور طبیعی به دلیل حرکت الکترون های سریع در میدان های مغناطیسی به دست آید. تابش تولید شده دارای قطبش مشخصه است و فرکانس های تولید شده می تواند در سراسر طیف الکترومغناطیسی متفاوت باشد که تابش پیوسته نیز نامیده می شود.
افتتاحیه
این پدیده از نام ژنراتور سنکروترون جنرال الکتریک ساخته شده در سال 1946 نامگذاری شد. وجود آن در می 1947 توسط دانشمندان فرانک الدر، آناتولی گورویچ، رابرت لانگمویر و هرب اعلام شد.پولاک در نامه خود "تابش از الکترون ها در سنکروترون". اما این فقط یک کشف نظری بود، در ادامه در مورد اولین مشاهده واقعی این پدیده خواهید خواند.
منابع
وقتی ذرات پرانرژی در حال شتاب هستند، از جمله الکترون هایی که مجبور به حرکت در مسیر منحنی توسط میدان مغناطیسی هستند، تابش سنکروترون تولید می شود. این شبیه به یک آنتن رادیویی است، اما با این تفاوت که از نظر تئوری سرعت نسبیتی فرکانس مشاهده شده را به دلیل اثر داپلر توسط ضریب لورنتس γ تغییر می‌دهد. سپس کوتاه شدن طول نسبیتی به فرکانس مشاهده شده توسط فاکتور γ دیگر برخورد می کند و در نتیجه فرکانس گیگاهرتز حفره تشدید را افزایش می دهد که الکترون ها را در محدوده اشعه ایکس شتاب می دهد. توان تشعشعی با فرمول لارمور نسبیتی و نیروی وارد بر الکترون تابیده شده توسط نیروی آبراهام-لورنتس-دیراک تعیین می شود.
ویژگی های دیگر
الگوی تابش را می توان از یک الگوی دوقطبی همسانگرد به یک مخروط تابش بسیار هدایت شده تغییر داد. تابش سنکروترون الکترونی درخشان ترین منبع مصنوعی اشعه ایکس است.
به نظر می رسد هندسه شتاب مسطح باعث می شود تابش به صورت خطی قطبی شود وقتی در صفحه مدار مشاهده می شود و هنگامی که با زاویه کمی نسبت به آن صفحه مشاهده می شود، به صورت دایره ای قطبی می شود. با این حال، دامنه و فرکانس بر روی دایره البروج قطبی متمرکز است.
منبع تابش سنکروترون نیز منبع تابش الکترومغناطیسی (EM) است کهیک حلقه ذخیره سازی که برای اهداف علمی و فنی طراحی شده است. این تابش نه تنها توسط حلقه‌های ذخیره‌سازی، بلکه توسط دیگر شتاب‌دهنده‌های ذرات تخصصی که معمولاً الکترون‌های شتاب‌دهنده هستند نیز تولید می‌شود. هنگامی که یک پرتو الکترونی پرانرژی تولید می شود، به اجزای کمکی مانند آهنرباهای خمشی و دستگاه های درج کننده (ندولاتور یا تکان دهنده) هدایت می شود. آنها میدان‌های مغناطیسی قوی، پرتوهای عمود بر هم را فراهم می‌کنند که برای تبدیل الکترون‌های پرانرژی به فوتون ضروری هستند.
استفاده از تابش سنکروترون
کاربردهای اصلی نور سنکروترون عبارتند از فیزیک ماده متراکم، علم مواد، زیست شناسی و پزشکی. بیشتر آزمایشات با استفاده از نور سنکروترون مربوط به مطالعه ساختار ماده از سطح زیر نانومتری ساختار الکترونیکی تا سطح میکرومتر و میلی متر است که برای تصویربرداری پزشکی مهم است. یک نمونه از کاربردهای صنعتی عملی، تولید ریزساختارها با استفاده از فرآیند LIGA است.
تابش سنکروترون نیز توسط اجرام نجومی تولید می شود، معمولاً در جایی که الکترون های نسبیتی در میدان های مغناطیسی مارپیچ می شوند (و بنابراین سرعت را تغییر می دهند).
تاریخ
این تشعشع اولین بار در موشکی که توسط مسیه 87 در سال 1956 توسط جفری آر. باربیج شلیک شد، کشف شد، که آن را تأییدی بر پیش‌بینی یوسف شلوفسکی در سال 1953 می‌دانست، اما قبلاً توسط هانس آلفون و نیکولای هرلوفسون در سال 1953 پیش‌بینی شده بود. 1950. شراره های خورشیدی ذرات را تسریع می کنندکه به این ترتیب منتشر می شود، همانطور که توسط R. Giovanolli در سال 1948 پیشنهاد شد و توسط Piddington در سال 1952 به طور انتقادی توصیف شد.
فضا
سیاهچاله‌های بسیار پرجرم برای ایجاد تشعشعات سنکروترون با فشار دادن جت‌های ایجاد شده توسط یون‌های شتاب‌دهنده گرانشی از طریق مناطق قطبی "لوله‌ای" ابرطبیعی میدان‌های مغناطیسی پیشنهاد شده‌اند. چنین جت‌هایی که نزدیک‌ترین آنها در مسیه 87 هستند، توسط تلسکوپ هابل به‌عنوان سیگنال‌های ابرشورایی شناسایی شدند که با فرکانس 6×s (شش برابر سرعت نور) از قاب سیاره ما حرکت می‌کنند. این پدیده ناشی از حرکت جت های بسیار نزدیک به سرعت نور و با زاویه بسیار کم نسبت به ناظر است. از آنجایی که جت های پرسرعت در هر نقطه از مسیر خود نور ساطع می کنند، نوری که از خود ساطع می کنند خیلی سریعتر از خود جت به ناظر نزدیک نمی شود. نوری که در طی صدها سال سفر ساطع می شود، بنابراین در مدت زمان بسیار کوتاه تری (ده یا بیست سال) به ناظر می رسد. تئوری نسبیت خاص در این پدیده نقض نشده است.
انتشار تکانشی تابش گاما از یک سحابی با روشنایی تا 25 گیگا ولت به تازگی شناسایی شده است که احتمالاً به دلیل گسیل سینکروترون توسط الکترون های به دام افتاده در یک میدان مغناطیسی قوی در اطراف تپ اختر است. دسته ای از منابع نجومی که در آنها انتشار سینکروترون مهم است سحابی های باد تپ اختری یا پلریون ها هستند که سحابی خرچنگ و تپ اختر مرتبط با آن کهن الگویی هستند.قطبش در سحابی خرچنگ با انرژی های بین 0.1 و 1.0 مگا الکترون ولت یک تشعشع سنکروترون معمولی است.
مختصر درباره محاسبه و برخورددهنده
در معادلات مربوط به این موضوع، اصطلاحات یا مقادیر خاصی اغلب نوشته می شوند که نماد ذرات تشکیل دهنده میدان سرعت هستند. این عبارات نشان دهنده اثر میدان ساکن ذره است که تابعی از مولفه سرعت صفر یا ثابت حرکت آن است. برعکس، جمله دوم به صورت متقابل توان اول فاصله از منبع می افتد و برخی از اصطلاحات را میدان شتاب یا میدان تشعشع می نامند زیرا به دلیل شتاب بار، جزء میدان هستند. تغییر در سرعت).
بنابراین، توان تابش شده به عنوان انرژی توان چهارم مقیاس می شود. این تابش انرژی برخورد دهنده دایره ای الکترون پوزیترون را محدود می کند. به طور معمول، برخورددهنده های پروتون در عوض با حداکثر میدان مغناطیسی محدود می شوند. بنابراین، برای مثال، برخورد دهنده بزرگ هادرونی دارای مرکز جرمی 70 برابر بیشتر از هر شتاب دهنده ذره دیگری است، حتی اگر جرم یک پروتون 2000 برابر یک الکترون باشد.
اصطلاحات
حوزه های مختلف علوم اغلب راه های مختلفی برای تعریف اصطلاحات دارند. متأسفانه در زمینه اشعه ایکس چندین اصطلاح به معنای «تابش» است. برخی از نویسندگان از اصطلاح "روشنایی" استفاده می کنند، که زمانی برای اشاره به روشنایی فتومتریک استفاده می شد، یا به اشتباه برای آن استفاده می شد.نامگذاری تشعشعات رادیومتری شدت به معنای چگالی توان در واحد سطح است، اما برای منابع اشعه ایکس معمولاً به معنای درخشندگی است.
مکانیسم وقوع
تشعشع سینکروترون می تواند در شتاب دهنده ها به عنوان یک خطای پیش بینی نشده رخ دهد که باعث تلفات انرژی ناخواسته در زمینه فیزیک ذرات می شود، یا به عنوان یک منبع تشعشع طراحی شده عمدی برای کاربردهای آزمایشگاهی متعدد. الکترون ها در چند مرحله به سرعت های بالا شتاب می گیرند تا به انرژی نهایی برسند که معمولاً در محدوده گیگا الکترون ولت است. الکترون ها در یک مسیر بسته توسط میدان های مغناطیسی قوی مجبور به حرکت می شوند. این شبیه به آنتن رادیویی است، اما با این تفاوت که سرعت نسبیتی فرکانس مشاهده شده را به دلیل اثر داپلر تغییر می دهد. انقباض نسبیتی لورنتس بر فرکانس گیگاهرتز تأثیر می گذارد و در نتیجه آن را در یک حفره تشدید ضرب می کند که الکترون ها را به محدوده اشعه ایکس شتاب می دهد. یکی دیگر از اثرات چشمگیر نسبیت این است که الگوی تابش از الگوی دوقطبی همسانگرد مورد انتظار از نظریه غیر نسبیتی به یک مخروط تشعشعی بسیار جهت‌دار تغییر می‌کند. این باعث می شود پراش تابش سنکروترون بهترین راه برای ایجاد اشعه ایکس باشد. هندسه شتاب مسطح، تابش را هنگام مشاهده در صفحه مدار، قطبی خطی می کند و هنگامی که با زاویه کمی نسبت به این صفحه نگاه می شود، قطبش دایره ای ایجاد می کند.
کاربردهای مختلف
مزایای استفادهتابش سنکروترون برای طیف‌سنجی و پراش توسط یک جامعه علمی در حال رشد از دهه‌های 1960 و 1970 به کار گرفته شده است. در ابتدا شتاب دهنده هایی برای فیزیک ذرات ایجاد شدند. «حالت انگلی» از تابش سنکروترون استفاده می‌کرد، جایی که تابش مغناطیسی خمشی باید با حفر سوراخ‌های اضافی در لوله‌های پرتو استخراج می‌شد. اولین حلقه ذخیره سازی که به عنوان منبع نور سنکروترون معرفی شد تانتالوس بود که برای اولین بار در سال 1968 راه اندازی شد. همانطور که تشعشعات شتاب دهنده شدیدتر شد و کاربردهای آن امیدوارکننده تر شد، دستگاه هایی که شدت آن را افزایش دادند در حلقه های موجود ساخته شدند. روش پراش تابش سنکروترون از همان ابتدا برای به دست آوردن اشعه ایکس با کیفیت بالا توسعه و بهینه شد. منابع نسل چهارم در حال بررسی هستند که شامل مفاهیم مختلفی برای ایجاد پرتوهای X ساختاری فوق درخشان، پالسی و زمان‌بندی شده برای آزمایش‌های بسیار سخت و شاید هنوز ایجاد نشده است.
اولین دستگاه
در ابتدا برای تولید این تشعشع از الکترومغناطیس های خمشی در شتاب دهنده ها استفاده می شد، اما دستگاه های تخصصی دیگر، دستگاه های درج، گاهی اوقات برای ایجاد یک اثر روشنایی قوی تر استفاده می شدند. روش‌های پراش تابش سنکروترون (نسل سوم) معمولاً به دستگاه‌های منبع بستگی دارد، جایی که بخش‌های مستقیم حلقه ذخیره شامل دوره‌ای هستند.ساختارهای مغناطیسی (حاوی آهنرباهای زیادی به شکل قطب های متناوب N و S) که باعث حرکت الکترون ها در یک مسیر سینوسی یا مارپیچی می شود. بنابراین، به جای یک خم، ده ها یا صدها "چرخش" در موقعیت های دقیق محاسبه شده، شدت کلی پرتو را اضافه یا ضرب می کنند. به این دستگاه ها ویگلر یا موج گردان می گویند. تفاوت اصلی بین موج‌ساز و ویگلر، شدت میدان مغناطیسی و دامنه انحراف از مسیر مستقیم الکترون‌ها است. همه این دستگاه‌ها و مکانیسم‌ها اکنون در مرکز تابش سنکروترون (ایالات متحده آمریکا) ذخیره می‌شوند.
استخراج
تجمع کننده دارای سوراخ هایی است که به ذرات اجازه می دهد پس زمینه تابش را ترک کرده و خط پرتو را تا محفظه خلاء آزمایشگر دنبال کنند. تعداد زیادی از این پرتوها ممکن است از نسل سوم دستگاه های تشعشع سنکروترون مدرن باشد.
الکترون ها را می توان از شتاب دهنده واقعی استخراج کرد و در یک ذخیره سازی مغناطیسی خلاء فوق العاده بالا ذخیره کرد، جایی که می توان آنها را چندین بار از آنجا استخراج کرد (و جایی که می توان آنها را تکثیر کرد). آهنرباهای موجود در حلقه همچنین باید بارها پرتو را در برابر "نیروهای کولن" (یا به عبارت ساده تر، بارهای فضایی) که تمایل به تخریب دسته های الکترونی دارند، دوباره فشرده کنند. تغییر جهت شکلی از شتاب است، زیرا الکترون‌ها در یک شتاب‌دهنده ذرات با انرژی‌های بالا و سرعت‌های شتاب بالا تابش ساطع می‌کنند. به عنوان یک قاعده، روشنایی تابش سنکروترون نیز به همان سرعت بستگی دارد.
