طيف الإشعاع السنكروتروني ليس بهذه الروعة. أي أنه يمكن تقسيمها إلى أنواع قليلة فقط. إذا كان الجسيم غير نسبي ، فإن هذا الإشعاع يسمى انبعاث السيكلوترون. من ناحية أخرى ، إذا كانت الجسيمات ذات طبيعة نسبية ، فإن الإشعاعات الناتجة عن تفاعلها تسمى أحيانًا ultrarelativistic. يمكن تحقيق الإشعاع المتزامن إما بشكل مصطنع (في السنكروترونات أو حلقات التخزين) أو بشكل طبيعي بسبب حركة الإلكترونات السريعة عبر الحقول المغناطيسية. للإشعاع الناتج على هذا النحو استقطاب مميز ، ويمكن أن تختلف الترددات المتولدة عبر الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله ، ويسمى أيضًا الإشعاع المستمر.
افتتاح
سميت هذه الظاهرة على اسم مولد السنكروترون من شركة جنرال إلكتريك الذي تم بناؤه عام 1946. تم الإعلان عن وجودها في مايو 1947 من قبل العلماء فرانك إلدر وأناتولي جورفيتش وروبرت لانجموير وهيرببولوك في رسالته "إشعاع من الإلكترونات في السنكروترون". لكن هذا كان مجرد اكتشاف نظري ، سوف تقرأ عن الملاحظة الحقيقية الأولى لهذه الظاهرة أدناه.
المصادر
عندما تكون الجسيمات عالية الطاقة في حالة تسارع ، بما في ذلك الإلكترونات التي يتم إجبارها على التحرك على طول مسار منحني بواسطة مجال مغناطيسي ، يتم إنتاج إشعاع السنكروترون. هذا مشابه لهوائي الراديو ، ولكن مع اختلاف نظريًا أن السرعة النسبية ستغير التردد المرصود بسبب تأثير دوبلر بواسطة معامل لورنتز γ. ثم يضرب تقصير الطول النسبي التردد الذي تم ملاحظته بواسطة عامل آخر γ ، مما يؤدي إلى زيادة تردد جيجاهرتز لتجويف الرنين الذي يسرع الإلكترونات في نطاق الأشعة السينية. يتم تحديد القدرة المشعة بواسطة صيغة Larmor النسبية ، ويتم تحديد القوة المؤثرة على الإلكترون المشع بواسطة قوة Abraham-Lorentz-Dirac.
ميزات أخرى
يمكن تشويه نمط الإشعاع من نمط ثنائي القطب متناح إلى مخروط عالي التوجيه للإشعاع. إشعاع السنكروترون الإلكتروني هو ألمع مصدر اصطناعي للأشعة السينية.
يبدو أن هندسة التسارع المستوي تجعل الإشعاع مستقطبًا خطيًا عند رؤيته في مستوى المدار واستقطابه دائريًا عند النظر إليه بزاوية طفيفة لهذا المستوى. ومع ذلك ، فإن السعة والتردد يتركزان على مسير الشمس القطبي.
مصدر الإشعاع السنكروتروني هو أيضًا مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي (EM) ، وهوحلقة تخزين مصممة للأغراض العلمية والتقنية. ينتج هذا الإشعاع ليس فقط عن طريق حلقات التخزين ، ولكن أيضًا عن طريق مسرعات الجسيمات المتخصصة الأخرى ، وعادةً ما تقوم بتسريع الإلكترونات. بمجرد إنشاء شعاع إلكتروني عالي الطاقة ، يتم توجيهه إلى المكونات الإضافية مثل مغناطيس الانحناء وأجهزة الإدخال (المتموجات أو المتذبذبات). إنها توفر مجالات مغناطيسية قوية وحزمًا عمودية ضرورية لتحويل الإلكترونات عالية الطاقة إلى فوتونات.
استخدام الإشعاع السنكروتروني
التطبيقات الرئيسية لضوء السنكروترون هي فيزياء المادة المكثفة وعلوم المواد والبيولوجيا والطب. ترتبط معظم التجارب باستخدام ضوء السنكروترون بدراسة بنية المادة من مستوى النانومتر الفرعي للهيكل الإلكتروني إلى مستوى الميكرومتر والمليمتر ، وهو أمر مهم للتصوير الطبي. مثال على التطبيق الصناعي العملي هو إنتاج الهياكل الدقيقة باستخدام عملية LIGA.
يتم أيضًا إنشاء الإشعاع السنكروتروني بواسطة الأجسام الفلكية ، وعادةً ما تكون فيه الإلكترونات النسبية تدور (وبالتالي تغير السرعة) عبر الحقول المغناطيسية.
التاريخ
تم اكتشاف هذا الإشعاع لأول مرة في صاروخ أطلقه Messier 87 في عام 1956 بواسطة Geoffrey R. 1950. التوهجات الشمسية تسرع الجسيماتالتي تنبعث بهذه الطريقة ، على النحو الذي اقترحه R. Giovanolli في عام 1948 ووصفه بشكل نقدي من قبل Piddington في عام 1952.
الفضاء
تم اقتراح الثقوب السوداء الهائلة لإنشاء إشعاع السنكروترون عن طريق دفع النفاثات الناتجة عن الأيونات المتسارعة جاذبيًا من خلال المناطق القطبية "الأنبوبية" الفائقة من المجالات المغناطيسية. تم تحديد هذه النفاثات ، الأقرب منها في Messier 87 ، بواسطة تلسكوب هابل على أنها إشارات فائقة الإضاءة تتحرك بتردد 6 × ثانية (ستة أضعاف سرعة الضوء) من إطار كوكبنا. هذه الظاهرة ناتجة عن تحرك الطائرات بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء وبزاوية صغيرة جدًا للمراقب. نظرًا لأن النفاثات عالية السرعة تبعث الضوء في كل نقطة على طول مسارها ، فإن الضوء الذي تنبعث منه لا يقترب من المراقب أسرع بكثير من الطائرة نفسها. يصل الضوء المنبعث على مدى مئات السنين من السفر إلى المراقب خلال فترة زمنية أقصر بكثير (عشر أو عشرين عامًا). لا يوجد انتهاك للنظرية النسبية الخاصة في هذه الظاهرة.
تم الكشف مؤخرًا عن انبعاث اندفاعي لإشعاع غاما من سديم بسطوع يصل إلى ≧ 25 GeV ، وربما يرجع ذلك إلى انبعاث السنكروترون بواسطة الإلكترونات المحاصرة في مجال مغناطيسي قوي حول النجم النابض. فئة من المصادر الفلكية التي يكون فيها انبعاث السنكروترون مهمًا هي سدم الرياح النجمية ، أو الزيادات ، والتي يعتبر سديم السرطان والنجوم النابض المرتبط بها نموذجًا أصليًا.الاستقطاب في سديم السرطان عند طاقات تتراوح بين 0.1 و 1.0 ميغا إلكترون فولت هو إشعاع سنكروتروني نموذجي.
باختصار عن الحساب والمصادمات
في المعادلات الخاصة بهذا الموضوع ، غالبًا ما تتم كتابة مصطلحات أو قيم خاصة ، ترمز إلى الجسيمات التي يتكون منها ما يسمى بمجال السرعة. تمثل هذه المصطلحات تأثير المجال الثابت للجسيم ، وهو دالة لمكون السرعة الثابت أو الصفري لحركته. على العكس من ذلك ، فإن المصطلح الثاني يقع على أنه مقلوب القوة الأولى للمسافة من المصدر ، وتسمى بعض المصطلحات مجال التسارع أو مجال الإشعاع لأنها مكونات المجال بسبب تسارع الشحنة (تغيير في السرعة).
وهكذا ، يتم تحجيم القدرة المشعة كطاقة من الأس الرابعة. يحد هذا الإشعاع من طاقة المصادم الدائري للإلكترون والبوزيترون. عادةً ما يتم تقييد مصادمات البروتونات بواسطة المجال المغناطيسي الأقصى. لذلك ، على سبيل المثال ، يمتلك مصادم الهادرونات الكبير مركزًا لطاقة الكتلة أعلى 70 مرة من أي مسرع جسيمات آخر ، حتى لو كانت كتلة البروتون أكبر 2000 مرة من كتلة الإلكترون.
المصطلحات
غالبًا ما يكون لمجالات العلوم المختلفة طرق مختلفة لتعريف المصطلحات. لسوء الحظ ، في مجال الأشعة السينية ، هناك عدة مصطلحات تعني نفس الشيء مثل "الإشعاع". يستخدم بعض المؤلفين مصطلح "السطوع" ، والذي تم استخدامه مرة للإشارة إلى السطوع الضوئي ، أو تم استخدامه بشكل غير صحيح فيتسميات الإشعاع الإشعاعي. تعني الكثافة كثافة الطاقة لكل وحدة مساحة ، ولكن بالنسبة لمصادر الأشعة السينية ، فهذا يعني عادةً التألق.
آلية الحدوث
يمكن أن يحدث إشعاع السنكروترون في المسرعات إما كخطأ غير متوقع ، مما يتسبب في فقد طاقة غير مرغوب فيه في سياق فيزياء الجسيمات ، أو كمصدر إشعاع مصمم بشكل متعمد للعديد من التطبيقات المختبرية. يتم تسريع الإلكترونات إلى سرعات عالية في عدة خطوات للوصول إلى الطاقة النهائية التي عادة ما تكون في نطاق جيجا إلكترون فولت. تُجبر الإلكترونات على التحرك في مسار مغلق بواسطة مجالات مغناطيسية قوية. إنه مشابه لهوائي الراديو ، ولكن مع اختلاف السرعة النسبية تغير التردد المرصود بسبب تأثير دوبلر. يؤثر انكماش لورنتز النسبي على تردد الجيجاهيرتز ، وبالتالي يضربه في تجويف رنيني يسرع الإلكترونات في نطاق الأشعة السينية. تأثير مثير آخر للنسبية هو أن نمط الإشعاع مشوه من النمط ثنائي القطب المتناحي المتوقع من النظرية غير النسبية إلى مخروط إشعاع شديد التوجيه. هذا يجعل حيود الإشعاع السنكروتروني أفضل طريقة لإنشاء الأشعة السينية. هندسة التسارع المسطحة تجعل الإشعاع مستقطبًا خطيًا عند مشاهدته في مستوى المدار ويخلق استقطابًا دائريًا عند النظر إليه بزاوية طفيفة لهذا المستوى.
استخدامات متنوعة
فوائد استخدامتم تنفيذ الإشعاع السنكروتروني من أجل التحليل الطيفي والحيود من قبل المجتمع العلمي المتنامي باستمرار منذ الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي. في البداية ، تم إنشاء مسرعات لفيزياء الجسيمات. يستخدم "الوضع الطفيلي" الإشعاع السنكروتروني ، حيث يجب استخراج الإشعاع المغناطيسي المنحني عن طريق حفر ثقوب إضافية في أنابيب الحزمة. أول حلقة تخزين تم تقديمها كمصدر للضوء السنكروتروني كانت Tantalus ، والتي تم إطلاقها لأول مرة في عام 1968. نظرًا لأن إشعاع المسرع أصبح أكثر كثافة وأصبحت تطبيقاته واعدة أكثر ، تم دمج الأجهزة التي عززت شدته في الحلقات الموجودة. تم تطوير طريقة حيود الإشعاع السنكروتروني وتحسينها منذ البداية للحصول على أشعة سينية عالية الجودة. يتم النظر في مصادر الجيل الرابع ، والتي ستشمل مفاهيم مختلفة لإنشاء أشعة سينية هيكلية فائقة النبضة ونبضة وموقوتة من أجل تجارب متطلبة للغاية وربما لم يتم إنشاؤها بعد.
الأجهزة الأولى
في البداية ، تم استخدام مغناطيس كهربائي منحني في المسرعات لتوليد هذا الإشعاع ، ولكن تم استخدام أجهزة متخصصة أخرى ، وأجهزة الإدخال ، في بعض الأحيان لإنشاء تأثير إضاءة أقوى. تعتمد طرق حيود الإشعاع السنكروتروني (الجيل الثالث) عادةً على الأجهزة المصدر ، حيث تحتوي المقاطع المستقيمة من حلقة التخزين على فترات دورية.الهياكل المغناطيسية (التي تحتوي على العديد من المغناطيسات في شكل أقطاب N و S بالتناوب) التي تجعل الإلكترونات تتحرك في مسار جيبي أو حلزوني. وهكذا ، فبدلاً من الانحناء الفردي ، فإن العديد من عشرات أو مئات "الدوامات" في المواضع المحسوبة بدقة تضيف أو تضاعف الكثافة الإجمالية للشعاع. هذه الأجهزة تسمى wigglers أو المتموج. الفرق الرئيسي بين المتموج والمتذبذب هو شدة المجال المغناطيسي الخاص بهما وسعة الانحراف عن المسار المباشر للإلكترونات. يتم الآن تخزين جميع هذه الأجهزة والآليات في مركز إشعاع السنكروترون (الولايات المتحدة الأمريكية).
استخراج
يحتوي المركب على ثقوب تسمح للجسيمات بمغادرة خلفية الإشعاع وتتبع خط الحزمة إلى غرفة فراغ المجرب. قد يأتي عدد كبير من هذه الحزم من أجهزة إشعاع السنكروترون الحديثة من الجيل الثالث.
يمكن استخلاص الإلكترونات من المسرع الفعلي وتخزينها في مخزن مغناطيسي إضافي عالي الفراغ ، حيث يمكن استخلاصها (وحيث يمكن إعادة إنتاجها) عددًا كبيرًا من المرات. يجب أن تعيد المغناطيسات الموجودة في الحلقة ضغط الحزمة بشكل متكرر ضد "قوى كولوم" (أو ، بشكل أكثر بساطة ، الشحنات الفضائية) التي تميل إلى تدمير مجموعات الإلكترونات. تغيير الاتجاه هو شكل من أشكال التسارع ، لأن الإلكترونات تصدر إشعاعًا عند طاقات عالية وسرعات تسريع عالية في مسرع الجسيمات. كقاعدة عامة ، يعتمد سطوع إشعاع السنكروترون أيضًا على نفس السرعة.
