Promieniowanie synchrotronowe

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Schemat generowania promieniowania synchrotronowego

Promieniowanie synchrotronowe, promieniowanie betatronowepromieniowanie elektromagnetyczne o charakterze nietermicznym, podobne do promieniowania cyklotronowego, lecz generowane przez naładowane cząstki (głównie elektrony) poruszające się w polu magnetycznym z prędkością bliską prędkości światła w próżni, w wyniku czego są przyspieszane po krzywoliniowych torach. Można je uzyskać sztucznie w pierścieniach akumulacyjnych synchrotronów lub naturalnie w wyniku szybkiego ruchu elektronów przez pola magnetyczne w przestrzeni kosmicznej. Promieniowanie synchrotronowe zawiera typowo pasma podczerwone, widzialne, ultrafioletu oraz X.

Spektroskopia – nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania na materię rozumianą jako zbiorowisko atomów i cząsteczek. Spektroskopia jest też często rozumiana jako ogólna nazwa wszelkich technik analitycznych polegających na generowaniu widm.Cyklotron — najprostsza i pierwsza historycznie forma akceleratora cyklicznego cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym.

Teorię promieniowania synchrotronowego opracował rosyjski fizyk-teoretyk Dmitrij Iwanienko.

Promieniowanie synchrotronowe z pierścieni akumulacyjnych[ | edytuj kod]

Promieniowanie synchrotronowe charakteryzuje się:

  • wysoką jasnością i intensywnością, wiele rzędów wielkości większą niż w przypadku konwencjonalnych lamp rentgenowskich,
  • wysoką światłością, przekraczającą wszelkie inne sztuczne czy też naturalne źródła o wiele rzędów wielkości: typowe źródła trzeciej generacji mają światłość większą niż:
  • gdzie odpowiada szerokości pasma o częstotliwości ω,
  • wysoką kolimacją, to znaczy małym kątem dywergencji (rozbieżności) wiązki,
  • niską emitancją, czyli niewielkim przekrojem źródła światła i małym kątem przestrzennym,
  • wytwarzaniem fotonów o szerokim zakresie energii, od kilku do kilku tysięcy elektronowoltów,
  • wysokim stopniem polaryzacji (liniowej lub eliptycznej),
  • emisją w bardzo niewielkich przedziałach czasu (rzędu nanosekundy lub poniżej, czyli miliardowe części sekundy).
  • Elektrony są przyspieszane na kilku etapach, aby móc osiągnąć końcową energię rzędu gigaelektronowoltów (GeV). Elektrony znajdują się wewnątrz pierścienia z próżnią i poruszają się po zamkniętym obwodzie, przez to okrążając pierścień ogromną liczbę razy. Tor ruchu elektronów po obwodzie jest wymuszony przez potężne pola elektromagnetyczne. Elektromagnetyzm służy skupianiu wiązki ładunków, których jednoimienność powoduje wzajemne odpychanie (zgodnie z prawem Coulomba). Zmiana kierunku jest formą przyspieszenia i stąd elektrony emitują promieniowanie o energii rzędu gigaelektronowoltów. Występuje tu podobieństwo do radionadajników, lecz z tą różnicą, że takie przyspieszenie zmienia obserwowaną częstotliwość o czynnik γ, zgodnie z efektem Dopplera. Kolejnym znaczącym efektem relatywistycznym jest to, że wzór promieniowania także odbiega od izotropowego wzoru dipola oczekiwanego z nierelatywistycznej teorii, dając skrajnie skierowany do przodu stożek promieniowania. To sprawia, że promieniowanie synchrotronowe jest jednym z najjaśniejszych źródeł promieniowania X. Przyspieszenie w geometrii płaskiej powoduje, że promieniowanie jest spolaryzowane liniowo, gdy obserwowane w płaszczyźnie orbitalnej oraz spolaryzowane kołowo, gdy obserwowane przy niewielkim kącie do tej płaszczyzny.

    Grawitacja (ciążenie powszechne) – jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.Luminancja – wielkość fotometryczna będąca miarą natężenia oświetlenia padającego w danym kierunku. Opisuje ilość światła, które przechodzi lub jest emitowane przez określoną powierzchnię i mieści się w zadanym kącie bryłowym. Jest to miara wrażenia wzrokowego, które odbiera oko ze świecącej powierzchni.

    Wzrastająca społeczność naukowa zaczęła sobie zdawać sprawę z zalet używania promieniowania synchrotronowego w badaniach spektroskopowych i dyfrakcyjnych począwszy od lat 60 i 70. Na początku pierścienie akumulacyjne były budowane dla celów fizyki cząstek, a promieniowanie synchrotronowe było uzyskiwane przy okazji, gdy uginane promieniowanie elektromagnetyczne musiało być wydobyte przez dodatkowo wywiercone dziury.

    Przestrzeń kosmiczna – przestrzeń poza obszarem ziemskiej atmosfery. Za granicę pomiędzy atmosferą a przestrzenią kosmiczną przyjmuje się umownie wysokość 100 km nad powierzchnią Ziemi, gdzie przebiega umowna linia Kármána. Ściśle wytyczonej granicy między przestrzenią powietrzną a przestrzenią kosmiczną nie ma. Fizycy przyjmują 80–100 km.Katalog Messiera – katalog astronomiczny zawierający obiekty na niebie, opublikowany przez Charlesa Messiera w 1774. Ostateczna wersja Messiera wydana w 1784 zawiera 103 obiekty. Od tego czasu jeszcze 7 innych obiektów, odkrytych później przez Messiera i jego współpracownika Pierre’a Méchaina, zostało dodanych do listy, ostatni w 1966.

    Z czasem, gdy zastosowanie promieniowania synchrotronowego stawało się coraz częstsze i bardziej obiecujące, zaczęto wbudowywać w istniejące pierścienie urządzenia, które poprawiały natężenie promieniowania synchrotronowego. Synchrotrony trzeciej generacji zostały od początku przemyślane i zoptymalizowane dla uzyskania promieniowania X o wysokiej jasności.

    Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος, nazwa stworzona przez Gilberta N. Lewisa) jest cząstką elementarną, nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy, są równocześnie falą elektromagnetyczną.Warstwa podwójna – struktura w plazmie złożona z dwóch równoległych warstw o przeciwnych ładunkach. Arkusze ładunku wytwarzają silne pole elektryczne i odpowiednio gwałtowne zmiany w woltażu. Jony wpadające w warstwę podwójną są przyspieszane, spowalniane lub odbijane przez pole elektryczne. Ogólnie, warstwy podwójne (które bywają raczej zakrzywione niż płaskie) oddzielają obszary plazmy o nieco odmiennej charakterystyce. Warstwy podwójne można znaleźć w wielu rodzajach plazmy, od tub wyładowaniowych przez plazmę kosmiczną do prądów Birkelanda zasilających Ziemską zorzę polarną, oraz są szczególnie widoczne w plazmie przenoszącej prąd. W porównaniu z tworzącą je plazmą, warstwa podwójna jest raczej cienka (z reguły dziesięć długości Debye’a), w zakresie od paru milimetrów w przypadku plazmy laboratoryjnej, do tysięcy kilometrów w plazmie kosmicznej.

    Działają już źródła czwartej generacji promieniowania synchrotronowego – lasery rentgenowskie. W 2019 r najsilniejszym źródłem synchrotronowego spójnego promieniowania był znajdujący się w hamburgu European XFEL. Wcześniej w Hamburgu był laser FLASH wytwarzający impulsy monochromatycznego promieniowania w zakresie XUV-SX (skrajnego ultrafioletu próżniowego do miękkiego promieniowania rentgenowskiego) o mocy szczytowej w impulsie dochodzącej do 1 GW. Szczytowe natężenie w impulsie osiągać może wartości ponad 9 rzędów wielkości większe niż otrzymywane z najpotężniejszych synchrotronów III generacji.

    Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla przeszkód, które mają dowolną wielkość, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.Laser na swobodnych elektronach (ang. Free-electron laser – FEL) – urządzenie emitujące spójne promieniowanie elektromagnetyczne takie jak wytwarza laser. Jednak w przeciwieństwie do zwykłych laserów, w których promieniowanie powstaje w materii, w laserze na swobodnych elektronach promieniowanie emitują bardzo szybko poruszające się elektrony swobodne w specjalnie ukształtowanym polu magnetycznym. W laserze na swobodnych elektronach długość emitowanej fali nie jest ograniczona przez konkretne przejścia między dyskretnymi poziomami energii w materii, a z wynika z konstrukcji urządzenia, dzięki temu lasery tego typu są łatwo przestrajalne i mają najszerszy zakres emitowanych częstotliwości spośród wszystkich laserów. Skonstruowano lasery na swobodnych elektronach emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od mikrofal, przez podczerwone, świetlne, ultrafioletowe aż do rentgenowskiego.

    Jak wspomniano powyżej, uginające wiązkę elektromagnesy są często stosowane do generowania promieniowania, jednak aby wygenerować silniejsze promieniowanie, czasem stosowane są inne urządzenia zwane urządzenie wstawkowe. Źródła trzeciej generacji bazują głównie na tych urządzeniach wstawkowych, gdzie proste odcinki w magnesie zakrzywiającym są używane do wprowadzenia periodycznej struktury magnetycznej (złożone z szeregu magnesów o odpowiednio ułożonych biegunach N i S), która kierunkuje elektrony sinusoidalnie lub spiralnie. W ten sposób, zamiast pojedynczego ugięcia, wiele dziesiątek lub setek wigglerów w precyzyjnie określonych miejscach zwielokrotnia całkowitą intensywność wiązki. Główna różnica pomiędzy wigglerami a undulatorami polega na intensywności ich pola magnetycznego i amplitudzie elektronu.

    European XFEL (ang. European X-ray Free Electron Laser), czyli Europejski Rentgenowski Laser na Swobodnych Elektronach, jest budowany w synchrotronowym centrum badawczym DESY w Hamburgu. Jest to najbardziej zaawansowane przestrajalne laserowe źródło silnego promieniowania w zakresie rentgenowskim. Infrastruktura lasera rozpościera się od ośrodka w DESY aż do oddalonej o 3,5 km miejscowości Schenefeld, gdzie ulokowane będą laboratoria badawcze. Ten międzynarodowy projekt łączy naukowców i inżynierów z wielu krajów Europy i świata, w tym z Polski.Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pustej przestrzeni. We współczesnej fizyce, technice oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni ma zupełnie odmienne konotacje.

    W pierścieniach akumulacyjnych znajdują się otwory umożliwiające wyjście promieniowaniu do komór próżniowych dostępnych badaczom. Duża liczba takich strumieni promieniowania może powstać we współczesnych synchrotronach trzeciej generacji.

    Podstrony: 1 [2] [3]




    Warto wiedzieć że... beta

    Dżet, inaczej struga – skolimowany strumień plazmowej materii wyrzucany z relatywistycznymi prędkościami z biegunów jądra galaktyki lub gwiazdy. Pierwszy dżet został zaobserwowany przez H. Curtisa w roku 1918 w galaktyce eliptycznej M87 w gromadzie Panny, jako jasny promień świetlny połączony z jądrem galaktyki. W latach 1960 obserwacje radiowe wielu galaktyk pokazały istnienie rozciągłych struktur radiowych, w skład których wchodzi zwarte jądro, radioobłoki oraz łączące je dżety.
    Promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie rtg, promieniowanie X, promienie X) – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, które jest generowane podczas wyhamowywania elektronów. Długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy nadfioletem i promieniowaniem gamma.
    Promieniowanie nietermiczne to promieniowanie elektromagnetyczne, emitowane przez ciało nie będące w stanie równowagi termodynamicznej z promieniowaniem. W przeciwieństwie do promieniowania termicznego, promieniowanie to nie ma rozkładu Plancka, co więcej, często w ogóle nie ma rozkładu ciągłego. Równowaga termodynamiczna pomiędzy promieniowaniem a materią ustala się dzięki wymianie energii pomiędzy nimi w procesach emisji i absorpcji fotonów. Wyraźna nierównowaga pomiędzy procesem emisji i absorpcji prowadzi do nietermicznego charakteru wysyłanego promieniowania.
    Library of Congress Control Number (LCCN) – numer nadawany elementom skatalogowanym przez Bibliotekę Kongresu wykorzystywany przez amerykańskie biblioteki do wyszukiwania rekordów bibliograficznych w bazach danych i zamawiania kart katalogowych w Bibliotece Kongresu lub u innych komercyjnych dostawców.
    Synchrotron – szczególny typ akceleratora cyklicznego, w którym cząstki są przyspieszane w polu elektrycznym wzbudzanym w szczelinach rezonatorów synchronicznie do czasu ich obiegu. W synchrotronie, tak jak w każdym cyklotronie (akceleratorze cyklicznym) przyspieszane cząstki krążą w polu magnetycznym. W miarę wzrostu energii przyspieszanych cząstek, pole magnetyczne jest zwiększane, by zachować stały promień obiegu cząstek.
    Ultrafiolet, nadfiolet, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie nadfioletowe (skrót UV) – promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 10 nm do 400 nm (niektóre źródła za ultrafiolet przyjmują zakres 100–400 nm), niewidzialne dla człowieka. Promieniowanie ultrafioletowe są to fale krótsze niż promieniowanie widzialne i dłuższe niż promieniowanie rentgenowskie. Zostało odkryte niezależnie przez niemieckiego fizyka, Johanna Wilhelma Rittera, i brytyjskiego chemika, Williama Hyde’a Wollastona, w 1801 roku.
    Dmitrij Dmitrijewicz Iwanienko (ur. 1904 Połtawa, zm. 1994) – rosyjski fizyk-teoretyk, profesor uniwersytetu w Moskwie. Niezależnie od Wernera Heisenberga w 1932 r. wysunął pogląd, że jądra atomowe składają się z neutronów i protonów. Opracował teorię promieniowania synchrotronowego.

    Reklama