სინქროტრონის გამოსხივების სპექტრი არც ისე დიდია. ანუ ის შეიძლება დაიყოს მხოლოდ რამდენიმე ტიპად. თუ ნაწილაკი არარელატივისტურია, მაშინ ასეთ გამოსხივებას ციკლოტრონის ემისია ეწოდება. თუ, მეორე მხრივ, ნაწილაკები რელატივისტური ხასიათისაა, მაშინ მათი ურთიერთქმედების შედეგად წარმოქმნილ გამოსხივებებს ზოგჯერ ულტრარელატივისტურს უწოდებენ. სინქრონული გამოსხივება შეიძლება მიღწეული იყოს ხელოვნურად (სინქროტრონებში ან შესანახ რგოლებში) ან ბუნებრივად მაგნიტურ ველებში სწრაფი ელექტრონების გადაადგილების გამო. ამგვარად წარმოქმნილ გამოსხივებას აქვს დამახასიათებელი პოლარიზაცია და წარმოქმნილი სიხშირეები შეიძლება განსხვავდებოდეს მთელ ელექტრომაგნიტურ სპექტრში, რომელსაც ასევე უწოდებენ უწყვეტ გამოსხივებას.
გახსნა
ამ ფენომენს ეწოდა 1946 წელს აშენებული General Electric სინქროტრონის გენერატორის სახელი. მისი არსებობა 1947 წლის მაისში გამოაცხადეს მეცნიერებმა ფრენკ ელდერმა, ანატოლი გურევიჩმა, რობერტ ლანგმუირმა და ჰერბმა.პოლოკი თავის წერილში "გამოსხივება ელექტრონებიდან სინქროტრონში". მაგრამ ეს მხოლოდ თეორიული აღმოჩენა იყო, ამ ფენომენზე პირველი რეალური დაკვირვების შესახებ ქვემოთ წაიკითხავთ.
წყაროები
როდესაც მაღალი ენერგიის ნაწილაკები აჩქარებენ, მათ შორის ელექტრონები, რომლებიც იძულებულნი არიან გადაადგილდნენ მრუდი გზაზე მაგნიტური ველის გამო, წარმოიქმნება სინქროტრონის გამოსხივება. ეს რადიო ანტენის მსგავსია, მაგრამ იმ განსხვავებით, რომ თეორიულად რელატივისტური სიჩქარე შეცვლის დაკვირვებულ სიხშირეს დოპლერის ეფექტის გამო ლორენცის γ კოეფიციენტით. რელატივისტური სიგრძის შემცირება შემდეგ ხვდება სხვა γ ფაქტორით დაკვირვებულ სიხშირეს, რითაც იზრდება რეზონანსული ღრუს სიხშირე GHz, რომელიც აჩქარებს ელექტრონებს რენტგენის დიაპაზონში. გამოსხივებული სიმძლავრე განისაზღვრება რელატივისტური ლარმორის ფორმულით, ხოლო ძალა გამოსხივებულ ელექტრონზე განისაზღვრება აბრაამ-ლორენც-დირაკის ძალით.
სხვა ფუნქციები
გამოსხივების ნიმუში შეიძლება დამახინჯდეს იზოტროპული დიპოლური ნიმუშიდან გამოსხივების უაღრესად მიმართულ კონუსად. ელექტრონული სინქროტრონის გამოსხივება რენტგენის სხივების ყველაზე ნათელი ხელოვნური წყაროა.
პლანტარული აჩქარების გეომეტრია, როგორც ჩანს, რადიაციას წრფივად პოლარიზებულს ხდის ორბიტის სიბრტყეში დანახვისას და წრიულად პოლარიზებულს, როცა ამ სიბრტყის მცირე კუთხით დანახულია. თუმცა ამპლიტუდა და სიხშირე ორიენტირებულია პოლარული ეკლიპტიკაზე.
სინქროტრონის გამოსხივების წყარო ასევე არის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების (EM), რომელიც არისსამეცნიერო და ტექნიკური მიზნებისთვის განკუთვნილი შესანახი რგოლი. ეს გამოსხივება წარმოიქმნება არა მხოლოდ შესანახი რგოლებით, არამედ სხვა სპეციალიზებული ნაწილაკების ამაჩქარებლებით, როგორც წესი, აჩქარებენ ელექტრონებს. მას შემდეგ, რაც წარმოიქმნება მაღალი ენერგიის ელექტრონული სხივი, ის მიმართულია დამხმარე კომპონენტებზე, როგორიცაა მოსახვევი მაგნიტები და ჩასმული მოწყობილობები (უნდულატორები ან მატრიცალები). ისინი უზრუნველყოფენ ძლიერ მაგნიტურ ველებს, პერპენდიკულარულ სხივებს, რომლებიც აუცილებელია მაღალი ენერგიის ელექტრონების ფოტონებად გადაქცევისთვის.
სინქროტრონის გამოსხივების გამოყენება
სინქროტრონის სინათლის ძირითადი გამოყენებაა შედედებული მატერიის ფიზიკა, მასალების მეცნიერება, ბიოლოგია და მედიცინა. სინქროტრონის სინათლის გამოყენებით ექსპერიმენტების უმეტესობა დაკავშირებულია მატერიის სტრუქტურის შესწავლასთან ელექტრონული სტრუქტურის ქვენანომეტრის დონიდან მიკრომეტრამდე და მილიმეტრამდე, რაც მნიშვნელოვანია სამედიცინო გამოსახულებისთვის. პრაქტიკული სამრეწველო გამოყენების მაგალითია მიკროსტრუქტურების წარმოება LIGA პროცესის გამოყენებით.
სინქროტრონის გამოსხივება ასევე წარმოიქმნება ასტრონომიული ობიექტების მიერ, ჩვეულებრივ, სადაც რელატივისტური ელექტრონები სპირალურად მოძრაობენ (და შესაბამისად ცვლის სიჩქარეს) მაგნიტური ველების მეშვეობით.
ისტორია
ეს გამოსხივება პირველად აღმოაჩინეს მესიე 87-ის მიერ გასროლილ რაკეტაში 1956 წელს ჯეფრი რ. ბურბიჯის მიერ, რომელიც მას 1953 წელს იოსიფ შკლოვსკის პროგნოზის დადასტურებად თვლიდა, მაგრამ ადრე იწინასწარმეტყველეს ჰანეს ალფვენმა და ნიკოლაი ჰერლოფსონმა. 1950 წ. მზის ანთებები აჩქარებს ნაწილაკებსრომლებიც ასხივებენ ამგვარად, როგორც შემოთავაზებულია რ. ჯოვანოლლის მიერ 1948 წელს და კრიტიკულად აღწერილი პიდინგტონის მიერ 1952 წელს.
ფართი
სუპერმასიური შავი ხვრელები შემოთავაზებულია სინქროტრონის გამოსხივების შესაქმნელად გრავიტაციულად აჩქარებული იონების მიერ შექმნილი ჭავლების ბიძგით მაგნიტური ველების სუპერკორდული "ტუბულარული" პოლარული რეგიონების მეშვეობით. ასეთი ჭავლები, მათგან ყველაზე ახლოს მესიე 87-ში, დაადგინა ჰაბლის ტელესკოპმა, როგორც ზელუმინალური სიგნალები, რომლებიც მოძრაობენ ჩვენი პლანეტის ჩარჩოდან 6 × s სიხშირით (6-ჯერ მეტი სინათლის სიჩქარეზე). ეს ფენომენი გამოწვეულია იმით, რომ ჭავლები მოძრაობენ სინათლის სიჩქარესთან ძალიან ახლოს და დამკვირვებლის მიმართ ძალიან მცირე კუთხით. იმის გამო, რომ მაღალსიჩქარიანი თვითმფრინავები ასხივებენ სინათლეს მათი გზის ყველა წერტილში, მათ მიერ გამოსხივებული შუქი არ უახლოვდება დამკვირვებელს ბევრად უფრო სწრაფად, ვიდრე თავად თვითმფრინავი. ასობით წლის მანძილზე გამოსხივებული სინათლე ამგვარად აღწევს დამკვირვებელს დროის გაცილებით მოკლე პერიოდში (ათი ან ოცი წელი). ამ ფენომენში ფარდობითობის სპეციალური თეორიის დარღვევა არ არის.
ახლახან გამოვლინდა გამა გამოსხივების იმპულსური ემისია ნისლეულიდან, რომლის სიკაშკაშე ≧25 გევ-მდეა, სავარაუდოდ, პულსარის გარშემო ძლიერ მაგნიტურ ველში ჩარჩენილი ელექტრონების სინქროტრონის გამოსხივების გამო. ასტრონომიული წყაროების კლასი, სადაც სინქროტრონის ემისია მნიშვნელოვანია, არის პულსარული ქარის ნისლეულები, ანუ პლერიონები, რომელთაგან არქეტიპულია კრაბის ნისლეული და მასთან დაკავშირებული პულსარი.კრაბის ნისლეულის პოლარიზაცია ენერგიით 0,1-დან 1,0 მევ-მდე არის ტიპიური სინქროტრონის გამოსხივება.
მოკლედ გაანგარიშებისა და კოლაიდერების შესახებ
ამ თემაზე განტოლებებში ხშირად იწერება სპეციალური ტერმინები ან მნიშვნელობები, რომლებიც ასახავს ნაწილაკებს, რომლებიც ქმნიან ეგრეთ წოდებულ სიჩქარის ველს. ეს ტერმინები წარმოადგენს ნაწილაკების სტატიკური ველის ეფექტს, რომელიც არის მისი მოძრაობის ნულოვანი ან მუდმივი სიჩქარის კომპონენტის ფუნქცია. პირიქით, მეორე წევრი ეცემა წყაროდან დაშორების პირველი სიმძლავრის საპასუხოდ და ზოგიერთ ტერმინს უწოდებენ აჩქარების ველს ან გამოსხივების ველს, რადგან ისინი ველის კომპონენტებია მუხტის აჩქარების გამო (სიჩქარის ცვლილება).
ამგვარად, გამოსხივებული სიმძლავრე მასშტაბირებულია, როგორც მეოთხე სიმძლავრის ენერგია. ეს გამოსხივება ზღუდავს ელექტრონ-პოზიტრონის წრიული კოლაიდერის ენერგიას. როგორც წესი, პროტონული კოლაიდერები შეზღუდულია მაქსიმალური მაგნიტური ველით. ამიტომ, მაგალითად, დიდ ადრონულ კოლაიდერს აქვს მასის ენერგიის ცენტრი 70-ჯერ მეტი, ვიდრე ნებისმიერი სხვა ნაწილაკების ამაჩქარებელი, მაშინაც კი, თუ პროტონის მასა 2000-ჯერ აღემატება ელექტრონს.
ტერმინოლოგია
მეცნიერების სხვადასხვა დარგს ხშირად აქვთ ტერმინების განსაზღვრის განსხვავებული გზები. სამწუხაროდ, რენტგენის სფეროში, რამდენიმე ტერმინი ნიშნავს იგივეს, რაც "გამოსხივებას". ზოგიერთი ავტორი იყენებს ტერმინს "სიკაშკაშე", რომელიც ოდესღაც გამოიყენებოდა ფოტომეტრული სიკაშკაშის აღსანიშნავად, ან არასწორად გამოიყენებოდარადიომეტრული გამოსხივების აღნიშვნები. ინტენსივობა ნიშნავს სიმძლავრის სიმკვრივეს ერთეულ ფართობზე, მაგრამ რენტგენის წყაროებისთვის ეს ჩვეულებრივ ნიშნავს ბრწყინვალებას.
შემთხვევის მექანიზმი
სინქროტრონის გამოსხივება შეიძლება მოხდეს ამაჩქარებლებში, როგორც გაუთვალისწინებელი შეცდომა, რომელიც იწვევს ენერგიის არასასურველ დანაკარგებს ნაწილაკების ფიზიკის კონტექსტში, ან როგორც განზრახ შექმნილი გამოსხივების წყარო მრავალი ლაბორატორიული გამოყენებისთვის. ელექტრონები აჩქარებენ მაღალ სიჩქარეს რამდენიმე ნაბიჯით, რათა მიაღწიონ საბოლოო ენერგიას, რომელიც ჩვეულებრივ გიგაელექტრონვოლტის დიაპაზონშია. ელექტრონები იძულებულნი არიან გადაადგილდნენ დახურულ გზაზე ძლიერი მაგნიტური ველების გამო. ის რადიო ანტენის მსგავსია, მაგრამ იმ განსხვავებით, რომ რელატივისტური სიჩქარე დოპლერის ეფექტის გამო ცვლის დაკვირვებულ სიხშირეს. რელატივისტური ლორენცის შეკუმშვა გავლენას ახდენს გიგაჰერცის სიხშირეზე, რითაც ამრავლებს მას რეზონანსულ ღრუში, რომელიც აჩქარებს ელექტრონებს რენტგენის დიაპაზონში. ფარდობითობის კიდევ ერთი დრამატული ეფექტი არის ის, რომ რადიაციული ნიმუში დამახინჯებულია იზოტროპული დიპოლური ნიმუშიდან, რომელიც მოსალოდნელია არარელატივისტური თეორიიდან უკიდურესად მიმართულ რადიაციულ კონუსამდე. ეს ხდის სინქროტრონის გამოსხივების დიფრაქციას რენტგენის სხივების შესაქმნელად საუკეთესო გზად. ბრტყელი აჩქარების გეომეტრია ხდის რადიაციას წრფივად პოლარიზებულს ორბიტის სიბრტყეში დათვალიერებისას და ქმნის წრიულ პოლარიზაციას ამ სიბრტყის მცირე კუთხით დანახვისას.
სხვადასხვა გამოყენება
გამოყენების სარგებელისპექტროსკოპიისა და დიფრაქციისთვის სინქროტრონის გამოსხივება განხორციელდა მზარდი სამეცნიერო საზოგადოების მიერ 1960-იანი და 1970-იანი წლებიდან. თავიდან ამაჩქარებლები შეიქმნა ნაწილაკების ფიზიკისთვის. „პარაზიტული რეჟიმი“იყენებდა სინქროტრონის გამოსხივებას, სადაც მოხრილი მაგნიტური გამოსხივება უნდა ამოღებულიყო სხივის მილებში დამატებითი ხვრელების გაბურღვით. პირველი შესანახი რგოლი, რომელიც გამოიცა სინქროტრონის სინათლის წყაროდ, იყო ტანტალუსი, რომელიც პირველად 1968 წელს გამოუშვეს. რაც უფრო ინტენსიური ხდებოდა ამაჩქარებლის გამოსხივება და მისი გამოყენება უფრო პერსპექტიული ხდებოდა, მოწყობილობები, რომლებიც აძლიერებდნენ მის ინტენსივობას, აშენდა არსებულ რგოლებში. სინქროტრონის გამოსხივების დიფრაქციული მეთოდი თავიდანვე შემუშავებული და ოპტიმიზირებულია მაღალი ხარისხის რენტგენის სხივების მისაღებად. განიხილება მეოთხე თაობის წყაროები, რომლებიც მოიცავს სხვადასხვა კონცეფციას ულტრაბრწყინვალე, იმპულსური, დროული სტრუქტურული რენტგენის შესაქმნელად უკიდურესად მომთხოვნი და შესაძლოა ჯერ კიდევ შეუქმნილი ექსპერიმენტებისთვის.
პირველი მოწყობილობები
თავიდან ამ გამოსხივების შესაქმნელად გამოიყენებოდა ამაჩქარებლებში მოქცეული ელექტრომაგნიტები, მაგრამ სხვა სპეციალიზებული მოწყობილობები, ჩასმული მოწყობილობები, ზოგჯერ გამოიყენებოდა უფრო ძლიერი განათების ეფექტის შესაქმნელად. სინქროტრონის გამოსხივების დიფრაქციის მეთოდები (მესამე თაობა) ჩვეულებრივ დამოკიდებულია წყაროს მოწყობილობებზე, სადაც შენახვის რგოლის სწორი მონაკვეთები შეიცავს პერიოდულმაგნიტური სტრუქტურები (შეიცავს ბევრ მაგნიტს მონაცვლეობით N და S პოლუსების სახით), რომლებიც იწვევენ ელექტრონების მოძრაობას სინუსოიდულ ან სპირალურ გზაზე. ამრიგად, ერთი მოსახვევის ნაცვლად, ზუსტად გამოთვლილ პოზიციებზე მრავალი ათეული ან ასობით „მოტრიალება“ამატებს ან ამრავლებს სხივის მთლიან ინტენსივობას. ამ მოწყობილობებს უწოდებენ wigglers ან undulators. ტალღოვანსა და ვიგლერს შორის მთავარი განსხვავებაა მათი მაგნიტური ველის ინტენსივობა და ელექტრონების პირდაპირი გზიდან გადახრის ამპლიტუდა. ყველა ეს მოწყობილობა და მექანიზმი ახლა ინახება სინქროტრონის გამოსხივების ცენტრში (აშშ).
მოპოვება
აკუმულატორს აქვს ხვრელები, რომლებიც საშუალებას აძლევს ნაწილაკებს დატოვონ რადიაციული ფონი და მიჰყვნენ სხივის ხაზს ექსპერიმენტატორის ვაკუუმ კამერამდე. ასეთი სხივების დიდი რაოდენობა შეიძლება მოდიოდეს მესამე თაობის თანამედროვე სინქროტრონული გამოსხივების მოწყობილობებიდან.
ელექტრონების ამოღება შესაძლებელია ფაქტობრივი ამაჩქარებლიდან და შენახვა დამხმარე ულტრა მაღალი ვაკუუმის მაგნიტურ საცავში, საიდანაც მათი ამოღება (და სადაც მათი რეპროდუცირებაა შესაძლებელი) მრავალჯერ შეიძლება. რგოლში მყოფმა მაგნიტებმა ასევე უნდა განმეორებით შეკუმშოს სხივი „კულონის ძალების“(ან, უფრო მარტივად, კოსმოსური მუხტების) წინააღმდეგ, რომლებიც მიდრეკილნი არიან გაანადგურონ ელექტრონული მტევნები. მიმართულების შეცვლა აჩქარების ფორმაა, რადგან ელექტრონები ასხივებენ გამოსხივებას მაღალი ენერგიით და მაღალი აჩქარების სიჩქარით ნაწილაკების ამაჩქარებელში. როგორც წესი, სინქროტრონის გამოსხივების სიკაშკაშე ასევე დამოკიდებულია იმავე სიჩქარეზე.
