Синхротронне випромінювання

Синхротро́нне випромі́нювання — випромінювання електромагнітних хвиль релятивістськими зарядженими частинками, що рухаються криволінійною траєкторією, тобто мають складову прискорення, перпендикулярну швидкості.
Синхротронне випромінювання виникає в синхротронах, накопичувальних кільцях прискорювачів, при русі заряджених частинок через ондулятор (останнє, разом з іншими випадками, коли частинка рухається у змінному магнітному полі, іноді виділяють в окремий тип — ондуляторне випромінювання, або згибне випромінювання). Частота такого випромінювання може охоплювати дуже широкий спектральний діапазон, від радіохвиль, до рентгенівського випромінювання.

Схематична діаграма утворення синхротронного випромінювання при закручуванні зарядженої частинки в полі магніту.
Схема утворення синхротронного випромінювання в ондуляторі.

Завдяки синхротронному випромінюванню прискорювачі заряджених частинок стали використовуватися як потужні джерела світла, особливо в тих частотних діапазонах, де створення інших джерел, наприклад, лазерів, пов'язано з труднощами.

Поза земними умовами синхротронне випромінювання утворюється деякими астрономічними об'єктами (наприклад, нейтронними зорями, лацертидами). Воно має особливий, нетепловий частотний розподіл та особливості поляризації.

Відмінності від циклотронного випромінюванняРедагувати

Синхротронне випромінювання — частковий випадок магнітогальмівного випромінювання. Магнітогальмівне випромінювання нерелятивістських заряджених частинок називають циклотронним. Особливістю синхротронного випромінювання є те, що воно, переважно, розповсюджується в напрямку руху електрона, тобто, по дотичній до траєкторії його руху («прожекторний ефект»), тоді як циклотронне випромінення розповсюджується по всій площині, перпендикулярній до траєкторії руху. Через ефект Доплера, його частота є значно вищою ніж у циклотронного (іншим аспектом зміщення є те, що лінії високих гармонік спектру знаходяться дуже близько, тому він майже неперервний, на відміну від циклотронного)[1]. Також, синхротронне випромінювання сильно поляризоване.

ВластивостіРедагувати

ІнтенсивністьРедагувати

Загальна інтенсивність магнітогальмівного випромінювання при русі зарядженої частинки по колу в магнітному полі дається формулою[2][3]

 ,

де   — інтенсивність,   — електричний заряд частинки,   — її маса,   — швидкість,   — магнітна індукція,   — швидкість світла.

У релятивістському випадку, коли швидкість частинки близька до швидкості світла, знаменник швидко зростає, й інтенсивність синхротронного випромінювання стає пропорційною квадрату енергії, на відміну від пропорційності енергії для нерелятивістського циклотронного випромінювання:

 ,

де E — енергія частинки[4].

У випадку електрона, за один оберт випромінюється енергія  , де енергія вимірюється в ГеВ, а радіус траєкторії — в метрах[5].

Кутовий розподілРедагувати

 
Порівняння розповсюдження циклотронного і синхротронного випромінювання

Синхротронне випромінювання дуже анізотропне. При русі частинки по колу в прискорювачі воно в основному зосереджене в площині орбіти, при використанні ондулятора — направлене в основному вперед у напрямку руху частинки. Кутове відхилення не перевищує[4]

 ,

де   — енергія частинки(  для ультрарелятивістських частинок).

Для прикладу, електрон з енергією 2 ГеВ випромінює в конусі з кутом при вершині 50 кутових секунд[6].

СпектрРедагувати

 
Спектр синхротронного випромінювання (логаріфмічна шкала)

Частотний спектр випромінювання є лінійчастим, з частотами  , де   — частота обертання частинки (циклотронна частота), проте максимум випромінювання припадає на високі гармоніки:

 , де  ,

де лінії спектру розташовані дуже густо, тому можна казати про квазінеперервність спектру[7].

Загальна формула, що виражає інтенсивність випромінювання в залежності від частоти, така[7]:

 </math>,

де критична частота дорівнює

 

а   — функція Макдональда (модифікована функція Бесселя другого роду[ru])

У випадку, коли n значно менше  , інтенсивність випромінювання дорівнює

 ,

а у випадку значно більших n:

 

ІмпульсністьРедагувати

Сторонній спостерігач бачить випромінювання лише коли частинка рухається прямо на нього. Через це він не може сприймати його весь час, але фіксує окремі імпульси з частотою, що дорівнює частоті обертання частинки. Тривалість кожного імпульсу дорівнює:

 

у випадку, якщо спостерігач знаходиться в площині обертання частинки.

ПоляризаціяРедагувати

Випромінювання лінійно поляризоване у площині обертання частинки. Випромінювання, що напрямлене вище або нижче площини обертання є право- і лівоеліптично поляризованим відповідно. Випромінювання, що напрямлене в перпендикулярно до площини обертання має кругову поляризацію, проте інтенсивність випромінювання при великих кутах спадає експоненційно.

ІсторіяРедагувати

У 1895 році Вільгельм Конрад Рентген відкрив випромінювання, назване пізніше його іменем. У 1897 році Джозеф Томсон відкрив електрон. Того ж року Джозеф Лармор показав, що частинки що прискорюються випромінюють електромагнітні хвилі, а вже у 1898 році Альфред-Марі Ліенар описав випромінювання частинки, що рухається по колу — прообраз синхротрона[8].

У 1907 році Джордж Шотт[en], розробляючи теорію спектрів, вивів формули, що описували випромінювання електрона при обертанні на релятивістських швидкостях. На жаль, у своїй роботі Шотт не враховував квантові ефекти, тому вона не була придатна для основної своєї цілі — пояснення атомних спектрів, а тому не стала відомою, проте формули кутового розподілу випромінювання виявилися вірними для випадку макроскопічного обертання[9].

У 1944 році Дмитро Іваненко і Ісак Померанчук а також, незалежно від них, Джуліан Швінгер вивели рівняння, що описують випромінювання частинок у бетатроні і визначили максимальну енергію, що може бути досягнена в ньому[10]. У 1946 році експерименти Джона Блюітта підтвердили їх висновки по втраті енергії електронами у бетатроні, проте безпосередньо випромінювання не було зафіксовано, оскільки не було враховано зміщення спектру випромінювання у область високих частот[11].

27 квітня 1947 року Герберт Полок, Роберт Ленгмюр, Франк Елдер і Анатолій Гуревич, працюючи з синхротроном у лабораторії General Electric у Скенектаді, штат Нью-Йорк, через прозоре вікно, що було зроблено у кожусі синхротрона для спостереження за можливими проблемами з електрообладнанням, помітили видиме світло, що випромінювалося пучком електронів. Це явище було неочікуванним і було помічено випадково. Після дослідження його співвіднесли з передбаченим Померанчуком і Іваненко випромінюванням релятивістських електронів[12][13].

У 1949 році Джон Болтон зафіксував синхротронне випромінювання від деяких астрономічних об'єктів (Крабоподібна туманність, галактика Центавр A, та інші)[14].

Джерела випромінюванняРедагувати

ШтучніРедагувати

Зараз у світі працює понад 50 джерел синхротронного випромінювання. Найбільше — у США (9) і Японії (8)[15].

Усі джерела умовно поділяють на три покоління. Принципова схема усіх них є подібною, проте енергетичні масштаби відрізняються на порядки. В середньому, за останні 50 років, кожні десять років яскравість рентгенівських джерел синхротронного випромінювання збільшується у тисячу разів[16].

Перше поколінняРедагувати

Першими джерелами синхротронного випромінювання були прискорювачі високих енергій, які не були призначені для його генерації. Випромінювання вважалося паразитним ефектом, що ускладнювало роботу синхротронів і бетатронів. Такі джерела використовувалися у перших експериментах над синхротронним випромінюванням у 1950-х і 1960-х роках[17].

Друге поколінняРедагувати

 
Схема синхротрона. Кожен відрізок, на якому відбувається поворот пучка суміщений з вікном, через яке виходить випромінювання

Після того, як користь синхротронного випромінювання стала зрозумілою, почали будуватися пристрої, призначені для його створення, так звані «фабрики фотонів». Такі спеціалізовані синхротрони отримали назву накопичувальні кільця[en][17]. Вони побудовані таким чином, щоб зберігати у собі пучок електронів довгий час. Для цього у них підтримується вакуум високого ступеню і використовуються спеціальні (квадрупольні[en] і секступольні[en]) магніти, що не дозволяють пучку розширюватися.

Третє поколінняРедагувати

Третє покоління джерел відрізняється вбудованими віглерами[en] і ондуляторами — елементами, що генерують сильне змінне магнітне поле, і при потраплянні всередину них пучка електронів — синхротронне випромінювання високої спектральної яскравості. Такі накопичувальні кільця підтримують можливість багаторазової інжекції електронів в пучок, що дозволяє підтримувати його стабільним практично необмежений час.[17][16].

ПриродніРедагувати

Особливістю природних джерел синхротронного випромінювання є широкий розподіл енергій заряджених частинок (протонів, електронів та ядер важчих елементів), що проходять через магнітне поле. Зазвичай, енергія космічних променів має ступеневий розподіл   (показник ступеню в середньому дорівнює -3), тому сумарний спектр випромінювання набуває іншої форми — також ступеневої,  [18]. Величину   називають спектральним індексом випромінювання. Іншим аспектом є самопоглинання випромінювання потоком частинок, через яке у спектрах спостерігається «завал» на низьких частотах (вони поглинаються краще, ніж високі). Також, частинки що випромінюють можуть рухатись у розрідженій плазмі, що також сильно змінює розподіл інтенсивності випромінювання (ефект Разіна-Цитовича)[19].

Іншою важливою особливістю астрономічних джерел синхротронного випромінювання є те, що часто частинки рухаються у змінному магнітному полі. Магнітне поле галактик є дуже слабким, тому радіуси руху ультрарелятивістських частинок становлять сотні астрономічних частинок і більше. При цьому, сама структура магнітного поля галактики є заплутаною, через що рух частинок у ньому нагадує броунівський[18]. Магнітне поле ж менших об'єктів, таких як нейтронні зірки, має більшу напруженість, проте і значно меншу просторову протяжність.

Можна виділити такі джерела космічного синхротронного випромінювання:

  • Ядра активних галактик. Такі структури знайдені в квазарах та багатьох радіогалактиках[20].
  • «Радіобульбашки» або «лоби»(англ. lobes) — великомасштабні структури (їх розміри досягають 4 МПк), бульбашки наповнені газом, що зазвичай розташовані симетрично навколо галактики або квазару[21]. У нашій Галактиці існують подібні об'єкти — бульбашки Фермі.
  • Релятивістські струмені, або джети — довгі (до 300 тисяч світлових років[22]) струмені газу, що вириваються з галактичних ядер[21].
  • Нейтронні зорі — напруженість електричного поля біля поверхні цих компактних зірок досягає 6×1010 Вт/см, тому частинки у ньому швидко розганяються до релятивістських швидкостей, і починають взаємодіяти з надзвичайно сильним магнітним полем зорі. Фотони, що народжуються під час цієї взаємодії є одним з основних каналів втрати нейтронною зорею енергії обертання[23].
  • Залишки наднових. Вибух наднової прискорює частинки, а ударна хвиля у міжзоряному газі стискає його і створює зону підсиленого магнітного поля. У молодих туманностях світять частинки, прискорені надновою, а у більш старих — високоенергетичні космічні промені[24].

Тимчасові явища, що супроводжуються синхротронним випромінюванням можуть спостерігатися і на Сонці а також на планетах-гігантах (Юпітері і Сатурні)[25].

ПриміткиРедагувати

  1. Фетисов, 2007, с. 97
  2. Формули на цій сторінці записані в системі СГС (СГСГ). Для перетворення в систему СІ дивись Правила переводу формул із системи СГС в систему СІ.
  3. Ландау, Лифшиц, 1974, с. 256
  4. а б Ландау, Лифшиц, 1974, с. 258
  5. Синхротронное излучение (Synchrotron Radiation)(рос.)
  6. Фетисов, 2007, с. 96
  7. а б Ландау, Лифшиц, 1974, с. 259
  8. Synchrotron light(англ.)
  9. HISTORY of SYNCHROTRON RADIATION(англ.)
  10. On the Maximal Energy Attainable in a Betatron(англ.)
  11. Синхротронное излучение(рос.)
  12. The evolution of adedicated synchrotronlight source(англ.)
  13. Radiation from Electrons in a Synchrotron(англ.)
  14. Synchrotron radiation, a basis of modern astrophysics(англ.)
  15. Light sources of the world(англ.)
  16. а б Синхротронное излучение в ИЯФ: формула успеха(рос.)
  17. а б в Синхротронное излучение в нанотехнологиях(рос.)
  18. а б Космические лучи и синхротронное излучение(рос.)
  19. Синхротронное излучение(рос.)
  20. Верходанов,Парийский, 2009, с. 40
  21. а б Верходанов,Парийский, 2009, с. 41
  22. Джет из галактики Pictor A оказался в три раза длиннее Млечного Пути(рос.)
  23. Пульсары(рос.)
  24. Остатки вспышек сверхновых звезд(рос.)
  25. Саган, 2018, с. 320

ДжерелаРедагувати