Lo spettro della radiazione di sincrotrone non è eccezionale. Cioè, può essere suddiviso solo in alcuni tipi. Se la particella non è relativistica, tale radiazione è chiamata emissione di ciclotrone. Se, d' altra parte, le particelle sono di natura relativistica, allora le radiazioni risultanti dalla loro interazione sono talvolta chiamate ultrarelativistiche. La radiazione sincrona può essere ottenuta artificialmente (in sincrotroni o anelli di accumulo) o naturalmente a causa di elettroni veloci che si muovono attraverso i campi magnetici. La radiazione così prodotta ha una caratteristica polarizzazione e le frequenze generate possono variare attraverso l'intero spettro elettromagnetico, detto anche radiazione continua.
Apertura
Questo fenomeno prende il nome da un generatore di sincrotrone General Electric costruito nel 1946. La sua esistenza fu annunciata nel maggio 1947 dagli scienziati Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir e HerbPollock nella sua lettera "Radiazione da elettroni nel sincrotrone". Ma questa è stata solo una scoperta teorica, leggerete della prima vera osservazione di questo fenomeno di seguito.
Fonti
Quando le particelle ad alta energia sono in accelerazione, inclusi gli elettroni costretti a muoversi lungo un percorso curvo da un campo magnetico, viene prodotta radiazione di sincrotrone. Questo è simile a un'antenna radio, ma con la differenza che teoricamente la velocità relativistica cambierà la frequenza osservata a causa dell'effetto Doppler del coefficiente di Lorentz γ. L'accorciamento della lunghezza relativistica colpisce quindi la frequenza osservata da un altro fattore γ, aumentando così la frequenza GHz della cavità risonante che accelera gli elettroni nella gamma dei raggi X. La potenza irradiata è determinata dalla formula relativistica di Larmor e la forza sull'elettrone irradiato è determinata dalla forza di Abraham-Lorentz-Dirac.
Altre caratteristiche
Il diagramma di radiazione può essere distorto da un diagramma di dipolo isotropico in un cono di radiazione altamente diretto. La radiazione di sincrotrone elettronico è la più brillante sorgente artificiale di raggi X.
La geometria dell'accelerazione planare sembra rendere la radiazione polarizzata linearmente se vista nel piano dell'orbita e polarizzata circolarmente se vista con un leggero angolo rispetto a quel piano. L'ampiezza e la frequenza, tuttavia, sono centrate sull'eclittica polare.
La sorgente di radiazione di sincrotrone è anche una sorgente di radiazione elettromagnetica (EM), che èun anello di stoccaggio progettato per scopi scientifici e tecnici. Questa radiazione è prodotta non solo dagli anelli di accumulo, ma anche da altri acceleratori di particelle specializzati, solitamente elettroni acceleranti. Una volta che un fascio di elettroni ad alta energia viene generato, viene diretto a componenti ausiliari come magneti di flessione e dispositivi di inserimento (ondulatori o oscillatori). Forniscono forti campi magnetici, fasci perpendicolari, necessari per convertire gli elettroni ad alta energia in fotoni.
Uso della radiazione di sincrotrone
Le principali applicazioni della luce di sincrotrone sono la fisica della materia condensata, la scienza dei materiali, la biologia e la medicina. La maggior parte degli esperimenti che utilizzano la luce di sincrotrone sono legati allo studio della struttura della materia dal livello sub-nanometrico della struttura elettronica al livello del micrometro e del millimetro, che è importante per l'imaging medico. Un esempio di applicazione industriale pratica è la produzione di microstrutture mediante il processo LIGA.
La radiazione di sincrotrone è generata anche da oggetti astronomici, di solito dove gli elettroni relativistici si muovono a spirale (e quindi cambiano velocità) attraverso i campi magnetici.
Cronologia
Questa radiazione fu scoperta per la prima volta in un razzo lanciato da Messier 87 nel 1956 da Geoffrey R. Burbidge, che la vide come una conferma della previsione di Iosif Shklovsky nel 1953, ma fu predetta in precedenza da Hannes Alfven e Nikolai Herlofson in 1950. I brillamenti solari accelerano le particelleche emettono in questo modo, come proposto da R. Giovanolli nel 1948 e criticamente descritto da Piddington nel 1952.
Spazio
I buchi neri supermassicci sono proposti per creare radiazione di sincrotrone spingendo getti creati da ioni in accelerazione gravitazionale attraverso regioni polari "tubolari" supercordate di campi magnetici. Tali getti, il più vicino in Messier 87, sono stati identificati dal telescopio Hubble come segnali superluminali che si muovono a una frequenza di 6 × s (sei volte la velocità della luce) dal nostro telaio planetario. Questo fenomeno è causato dai getti che viaggiano molto vicini alla velocità della luce e ad un angolo molto piccolo rispetto all'osservatore. Poiché i getti ad alta velocità emettono luce in ogni punto lungo il loro percorso, la luce che emettono non si avvicina all'osservatore molto più velocemente del getto stesso. La luce emessa in centinaia di anni di viaggio raggiunge quindi l'osservatore in un periodo di tempo molto più breve (dieci o venti anni). Non vi è alcuna violazione della teoria della relatività speciale in questo fenomeno.
Di recente è stata rilevata un'emissione impulsiva di radiazione gamma da una nebulosa con una luminosità fino a ≧25 GeV, probabilmente a causa dell'emissione di sincrotrone da parte di elettroni intrappolati in un forte campo magnetico attorno alla pulsar. Una classe di sorgenti astronomiche in cui l'emissione di sincrotrone è importante sono le nebulose del vento pulsar, o plerioni, di cui la Nebulosa del Granchio e la pulsar associata sono archetipiche. La polarizzazione nella Nebulosa del Granchio ad energie comprese tra 0,1 e 1,0 MeV è tipica radiazione di sincrotrone.
In breve su calcolo e collider
Nelle equazioni su questo argomento, vengono spesso scritti termini o valori speciali, che simboleggiano le particelle che compongono il cosiddetto campo di velocità. Questi termini rappresentano l'effetto del campo statico della particella, che è una funzione della componente di velocità zero o costante del suo movimento. Al contrario, il secondo termine cade come reciproco della prima potenza della distanza dalla sorgente, e alcuni termini sono chiamati campo di accelerazione o campo di radiazione perché sono componenti del campo dovuto all'accelerazione della carica (cambio di velocità).
Così, la potenza irradiata viene scalata come energia della quarta potenza. Questa radiazione limita l'energia del collisore circolare elettrone-positrone. Tipicamente, i collisori di protoni sono invece limitati dal massimo campo magnetico. Pertanto, ad esempio, il Large Hadron Collider ha un centro di massa energetico 70 volte superiore a qualsiasi altro acceleratore di particelle, anche se la massa di un protone è 2000 volte quella di un elettrone.
Terminologia
Diversi campi della scienza spesso hanno modi diversi di definire i termini. Sfortunatamente, nel campo dei raggi X, diversi termini significano la stessa cosa di "radiazioni". Alcuni autori usano il termine "luminosità", che una volta era usato per riferirsi alla luminosità fotometrica, o era usato in modo errato perdesignazioni della radiazione radiometrica. Intensità significa densità di potenza per unità di area, ma per le sorgenti di raggi X di solito significa brillantezza.
Meccanismo di occorrenza
La radiazione di sincrotrone può verificarsi negli acceleratori sia come errore imprevisto, causando perdite di energia indesiderate nel contesto della fisica delle particelle, sia come sorgente di radiazione deliberatamente progettata per numerose applicazioni di laboratorio. Gli elettroni vengono accelerati a velocità elevate in diversi passaggi per raggiungere un'energia finale che di solito è nell'intervallo di gigaelettronvolt. Gli elettroni sono costretti a muoversi in un percorso chiuso da forti campi magnetici. È simile a un'antenna radio, ma con la differenza che la velocità relativistica cambia la frequenza osservata a causa dell'effetto Doppler. La contrazione relativistica di Lorentz influisce sulla frequenza dei gigahertz, moltiplicandola così in una cavità risonante che accelera gli elettroni nella gamma dei raggi X. Un altro effetto drammatico della relatività è che il diagramma di radiazione è distorto dal diagramma di dipolo isotropico previsto dalla teoria non relativistica a un cono di radiazione estremamente diretto. Ciò rende la diffrazione della radiazione di sincrotrone il modo migliore per creare raggi X. La geometria dell'accelerazione piatta rende la radiazione polarizzata linearmente se osservata nel piano dell'orbita e crea una polarizzazione circolare se osservata con una leggera angolazione rispetto a questo piano.
Uso vario
Vantaggi dell'utilizzoLa radiazione di sincrotrone per la spettroscopia e la diffrazione è stata implementata da una comunità scientifica in continua crescita dagli anni '60 e '70. All'inizio furono creati acceleratori per la fisica delle particelle. La "modalità parassitaria" utilizzava la radiazione di sincrotrone, in cui la radiazione magnetica di flessione doveva essere estratta perforando ulteriori fori nei tubi del raggio. Il primo anello di immagazzinamento introdotto come sorgente di luce di sincrotrone è stato Tantalus, lanciato per la prima volta nel 1968. Man mano che la radiazione dell'acceleratore diventava più intensa e le sue applicazioni diventavano più promettenti, i dispositivi che ne aumentavano l'intensità sono stati integrati negli anelli esistenti. Il metodo di diffrazione della radiazione di sincrotrone è stato sviluppato e ottimizzato fin dall'inizio per ottenere raggi X di alta qualità. Sono allo studio sorgenti di quarta generazione, che includeranno vari concetti per la creazione di raggi X strutturali ultra-brillanti, pulsati e temporizzati per esperimenti estremamente impegnativi e forse non ancora creati.
I primi dispositivi
All'inizio, per generare questa radiazione venivano usati elettromagneti di flessione negli acceleratori, ma a volte venivano usati altri dispositivi specializzati, dispositivi di inserimento, per creare un effetto luminoso più forte. I metodi di diffrazione della radiazione di sincrotrone (terza generazione) dipendono solitamente dai dispositivi sorgente, in cui le sezioni rettilinee dell'anello di accumulo contengono periodicistrutture magnetiche (contenenti molti magneti sotto forma di poli N e S alternati) che fanno muovere gli elettroni in un percorso sinusoidale oa spirale. Pertanto, invece di una singola curva, molte decine o centinaia di "vortici" in posizioni calcolate con precisione aggiungono o moltiplicano l'intensità complessiva del raggio. Questi dispositivi sono chiamati oscillatori o ondulatori. La principale differenza tra un ondulatore e un oscillatore è l'intensità del loro campo magnetico e l'ampiezza della deviazione dal percorso diretto degli elettroni. Tutti questi dispositivi e meccanismi sono ora archiviati presso il Center for Synchrotron Radiation (USA).
Estrazione
L'accumulatore ha dei fori che consentono alle particelle di lasciare lo sfondo della radiazione e seguire la linea del raggio fino alla camera a vuoto dello sperimentatore. Un gran numero di tali raggi può provenire da moderni dispositivi di radiazione di sincrotrone di terza generazione.
Gli elettroni possono essere estratti dall'acceleratore vero e proprio e conservati in una memoria magnetica ausiliaria ad altissimo vuoto, da dove possono essere estratti (e da dove possono essere riprodotti) un gran numero di volte. I magneti nell'anello devono inoltre ricomprimere ripetutamente il fascio contro le "forze di Coulomb" (o, più semplicemente, cariche spaziali) che tendono a distruggere i grappoli di elettroni. Il cambio di direzione è una forma di accelerazione, perché gli elettroni emettono radiazioni ad alte energie e velocità di accelerazione elevate in un acceleratore di particelle. Di norma, anche la luminosità della radiazione di sincrotrone dipende dalla stessa velocità.
