สเปกตรัมของรังสีซินโครตรอนไม่ได้ยอดเยี่ยมขนาดนั้น กล่าวคือสามารถแบ่งออกได้เพียงไม่กี่ประเภทเท่านั้น หากอนุภาคไม่มีสัมพัทธภาพ การแผ่รังสีดังกล่าวจะเรียกว่าการปล่อยไซโคลตรอน ในทางกลับกัน หากอนุภาคมีความสัมพันธ์ในธรรมชาติ การแผ่รังสีที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของพวกมันบางครั้งเรียกว่า การแผ่รังสีซิงโครนัสสามารถทำได้ทั้งแบบเทียม (ในซินโครตรอนหรือวงแหวนจัดเก็บ) หรือโดยธรรมชาติเนื่องจากอิเล็กตรอนเร็วเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก รังสีที่ผลิตได้มีลักษณะโพลาไรซ์ และความถี่ที่สร้างขึ้นอาจแตกต่างกันไปตามสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด หรือที่เรียกว่าการแผ่รังสีต่อเนื่อง
เปิด
ปรากฏการณ์นี้ตั้งชื่อตามเครื่องกำเนิดซิงโครตรอนของ General Electric ที่สร้างขึ้นในปี 1946 การมีอยู่ของมันได้รับการประกาศในเดือนพฤษภาคม 1947 โดยนักวิทยาศาสตร์ Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir และ HerbPollock ในจดหมายของเขา "การแผ่รังสีจากอิเล็กตรอนในซินโครตรอน" แต่นี่เป็นเพียงการค้นพบเชิงทฤษฎี คุณจะได้อ่านเกี่ยวกับการสังเกตปรากฏการณ์นี้ครั้งแรกจริงด้านล่าง
แหล่งที่มา
เมื่ออนุภาคพลังงานสูงอยู่ในอัตราเร่ง รวมทั้งอิเล็กตรอนที่ถูกบังคับให้เคลื่อนที่ไปตามเส้นทางโค้งโดยสนามแม่เหล็ก รังสีซินโครตรอนจะถูกสร้างขึ้น สิ่งนี้คล้ายกับเสาอากาศวิทยุ แต่ด้วยความแตกต่างที่ความเร็วเชิงสัมพัทธภาพในทางทฤษฎีจะเปลี่ยนความถี่ที่สังเกตได้เนื่องจากเอฟเฟกต์ดอปเลอร์โดยสัมประสิทธิ์ลอเรนทซ์ γ การทำให้ความยาวสัมพัทธภาพสั้นลงจะกระทบกับความถี่ที่สังเกตได้จากปัจจัยอื่น γ ซึ่งเป็นการเพิ่มความถี่ GHz ของช่องเรโซแนนซ์ที่เร่งอิเล็กตรอนในช่วงเอ็กซ์เรย์ พลังงานที่แผ่ออกมาถูกกำหนดโดยสูตรความสัมพันธ์ของลาร์มอร์ และแรงบนอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมานั้นถูกกำหนดโดยแรงของอับราฮัม-ลอเรนซ์-ไดแรค
คุณสมบัติอื่นๆ
รูปแบบการแผ่รังสีสามารถบิดเบี้ยวจากรูปแบบไดโพลไอโซโทรปิกไปเป็นทรงกรวยของการแผ่รังสีได้ รังสีอิเล็กตรอนซิงโครตรอนเป็นแหล่งรังสีเอกซ์เทียมที่สว่างที่สุด
เรขาคณิตของการเร่งความเร็วระนาบดูเหมือนว่าจะทำให้การแผ่รังสีมีโพลาไรซ์เชิงเส้นเมื่อดูในระนาบของวงโคจรและโพลาไรซ์แบบวงกลมเมื่อมองจากมุมเล็กน้อยไปยังระนาบนั้น อย่างไรก็ตาม แอมพลิจูดและความถี่มีศูนย์กลางที่สุริยุปราคา
แหล่งกำเนิดรังสีซินโครตรอนก็เป็นแหล่งของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ซึ่งก็คือวงแหวนจัดเก็บที่ออกแบบมาเพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค การแผ่รังสีนี้ไม่ได้เกิดขึ้นจากวงแหวนกักเก็บเท่านั้น แต่ยังเกิดจากเครื่องเร่งอนุภาคพิเศษอื่นๆ ซึ่งมักจะใช้เร่งอิเล็กตรอน เมื่อสร้างลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงแล้ว ลำแสงจะถูกส่งไปยังส่วนประกอบเสริม เช่น แม่เหล็กดัดและอุปกรณ์แทรก (ลูกคลื่นหรือลูกคลื่น) พวกมันให้สนามแม่เหล็กแรงสูง คานตั้งฉาก ซึ่งจำเป็นต่อการแปลงอิเล็กตรอนพลังงานสูงให้เป็นโฟตอน
การใช้รังสีซินโครตรอน
การใช้งานหลักของแสงซินโครตรอน ได้แก่ ฟิสิกส์ของสสารควบแน่น วัสดุศาสตร์ ชีววิทยาและการแพทย์ การทดลองโดยใช้แสงซินโครตรอนส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการศึกษาโครงสร้างของสสารตั้งแต่ระดับย่อยนาโนเมตรของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์จนถึงระดับไมโครเมตรและมิลลิเมตร ซึ่งมีความสำคัญต่อการถ่ายภาพทางการแพทย์ ตัวอย่างการใช้งานเชิงอุตสาหกรรมที่ใช้งานได้จริงคือการผลิตโครงสร้างจุลภาคโดยใช้กระบวนการ LIGA
รังสีซินโครตรอนยังถูกสร้างขึ้นโดยวัตถุทางดาราศาสตร์ ซึ่งโดยปกติแล้วอิเล็กตรอนเชิงสัมพันธ์จะหมุนวน (และด้วยเหตุนี้จึงเปลี่ยนความเร็ว) ผ่านสนามแม่เหล็ก
ประวัติศาสตร์
รังสีนี้ถูกค้นพบครั้งแรกในจรวดที่ยิงโดย Messier 87 ในปี 1956 โดย Geoffrey R. Burbidge ซึ่งเห็นว่าเป็นการยืนยันคำทำนายของ Iosif Shklovsky ในปี 1953 แต่ Hannes Alfven และ Nikolai Herlofson เป็นผู้ทำนายก่อนหน้านี้ใน 1950. เปลวสุริยะเร่งอนุภาคซึ่งเปล่งออกมาในลักษณะนี้ ตามที่ R. Giovanolli เสนอในปี 1948 และบรรยายวิจารณ์โดย Piddington ในปี 1952
อวกาศ
หลุมดำมวลมหาศาลถูกเสนอให้สร้างรังสีซิงโครตรอนโดยการผลักไอพ่นที่เกิดจากไอออนเร่งโน้มถ่วงผ่านบริเวณขั้ว "หลอด" ที่มีสนามแม่เหล็กยิ่งยวด เครื่องบินไอพ่นดังกล่าวซึ่งอยู่ใกล้ที่สุดใน Messier 87 ถูกระบุโดยกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลว่าเป็นสัญญาณ superluminal ที่เคลื่อนที่ด้วยความถี่ 6 × s (หกเท่าของความเร็วแสง) จากกรอบดาวเคราะห์ของเรา ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการที่เครื่องบินเจ็ตเคลื่อนตัวเข้าใกล้ความเร็วแสงมากและในมุมที่เล็กมากไปยังผู้สังเกต เนื่องจากเครื่องบินไอพ่นความเร็วสูงปล่อยแสงทุกจุดตลอดเส้นทาง แสงที่ปล่อยออกมาจึงไม่เข้าใกล้ผู้สังเกตเร็วกว่าตัวเจ็ตมากนัก แสงที่เปล่งออกมาตลอดการเดินทางหลายร้อยปีจึงมาถึงผู้สังเกตในช่วงเวลาที่สั้นกว่ามาก (สิบหรือยี่สิบปี) ปรากฏการณ์นี้ไม่มีการละเมิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
การแผ่รังสีแกมมาอย่างหุนหันพลันแล่นจากเนบิวลาที่มีความสว่างสูงถึง ≧25 GeV เพิ่งได้รับการตรวจพบ อาจเป็นเพราะการปลดปล่อยซิงโครตรอนโดยอิเล็กตรอนที่ติดอยู่ในสนามแม่เหล็กแรงสูงรอบพัลซาร์ แหล่งกำเนิดทางดาราศาสตร์ประเภทหนึ่งที่การแผ่รังสีซิงโครตรอนมีความสำคัญคือเนบิวลาลมพัลซาร์หรือเพลอริออน ซึ่งเนบิวลาปูและพัลซาร์ที่เกี่ยวข้องกันเป็นแบบตามแบบฉบับโพลาไรเซชันในเนบิวลาปูที่มีพลังงานระหว่าง 0.1 ถึง 1.0 MeV เป็นรังสีซินโครตรอนทั่วไป
สั้น ๆ เกี่ยวกับการคำนวณและการชนกัน
ในสมการในหัวข้อนี้ ศัพท์หรือค่าพิเศษมักถูกเขียนขึ้น ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นสนามความเร็วที่เรียกว่าสนามความเร็ว คำเหล่านี้แสดงถึงผลกระทบของสนามไฟฟ้าสถิตย์ของอนุภาค ซึ่งเป็นฟังก์ชันขององค์ประกอบความเร็วศูนย์หรือความเร็วคงที่ของการเคลื่อนที่ของอนุภาค ในทางตรงกันข้าม เทอมที่สองหลุดออกจากภาคกลับของกำลังแรกของระยะห่างจากแหล่งกำเนิด และคำศัพท์บางคำเรียกว่าสนามความเร่งหรือสนามรังสีเพราะเป็นส่วนประกอบของสนามเนื่องจากความเร่งของประจุ (เปลี่ยนความเร็ว).
ดังนั้น พลังที่แผ่ออกมาจะถูกปรับขนาดเป็นพลังงานของยกกำลังที่สี่ การแผ่รังสีนี้จำกัดพลังงานของอิเล็กตรอน-โพซิตรอนแบบวงกลม โดยปกติ โปรตอนชนกันจะถูกจำกัดโดยสนามแม่เหล็กสูงสุด ตัวอย่างเช่น Large Hadron Collider มีจุดศูนย์กลางพลังงานมวลสูงกว่าเครื่องเร่งอนุภาคอื่น 70 เท่า แม้ว่ามวลของโปรตอนจะมากกว่าอิเล็กตรอน 2,000 เท่าก็ตาม
คำศัพท์
วิทยาศาสตร์สาขาต่างๆ มักมีวิธีกำหนดคำศัพท์ที่แตกต่างกัน น่าเสียดาย ในด้านของรังสีเอกซ์ คำศัพท์หลายคำมีความหมายเดียวกับ "รังสี" ผู้เขียนบางคนใช้คำว่า "ความสว่าง" ซึ่งครั้งหนึ่งเคยใช้เพื่ออ้างถึงความสว่างของโฟโตเมตริก หรือใช้อย่างไม่ถูกต้องสำหรับการกำหนดรังสีเรดิโอเมตริก ความเข้มหมายถึงความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยพื้นที่ แต่สำหรับแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ มักจะหมายถึงความสว่าง
กลไกการเกิดขึ้น
รังสีซินโครตรอนสามารถเกิดขึ้นได้ในเครื่องเร่งอนุภาค ไม่ว่าจะเป็นข้อผิดพลาดที่ไม่คาดคิด ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่ไม่ต้องการในบริบทของฟิสิกส์ของอนุภาค หรือจากแหล่งกำเนิดรังสีที่ออกแบบมาโดยเจตนาสำหรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการจำนวนมาก อิเล็กตรอนจะถูกเร่งด้วยความเร็วสูงในหลายขั้นตอนเพื่อให้ได้พลังงานสุดท้ายซึ่งมักจะอยู่ในช่วงกิกะอิเล็กตรอนโวลต์ อิเล็กตรอนถูกบังคับให้เคลื่อนที่ในเส้นทางปิดโดยสนามแม่เหล็กแรงสูง มันคล้ายกับเสาอากาศวิทยุ แต่ด้วยความแตกต่างที่ความเร็วสัมพัทธภาพเปลี่ยนความถี่ที่สังเกตได้เนื่องจากเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ การหดตัวเชิงสัมพันธ์ของลอเรนซ์ส่งผลต่อความถี่กิกะเฮิร์ตซ์ ดังนั้นจึงเป็นการทวีคูณในช่องเรโซแนนซ์ที่เร่งอิเล็กตรอนให้เข้าสู่ช่วงเอ็กซ์เรย์ ผลกระทบที่น่าทึ่งอีกประการของทฤษฎีสัมพัทธภาพคือรูปแบบการแผ่รังสีบิดเบี้ยวจากรูปแบบไดโพลไอโซโทรปิกที่คาดหวังจากทฤษฎีที่ไม่สัมพันธ์กับรูปกรวยการแผ่รังสีที่พุ่งตรงอย่างยิ่ง ทำให้การเลี้ยวเบนของรังสีซินโครตรอนเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการสร้างรังสีเอกซ์ เรขาคณิตความเร่งแบบแบนราบทำให้การแผ่รังสีมีโพลาไรซ์เป็นเส้นตรงเมื่อมองในระนาบของวงโคจร และสร้างโพลาไรซ์แบบวงกลมเมื่อมองจากมุมเล็กน้อยไปยังระนาบนี้
ของใช้ต่างๆ
ประโยชน์ของการใช้การแผ่รังสีซินโครตรอนสำหรับสเปกโทรสโกปีและการเลี้ยวเบนได้ถูกนำมาใช้โดยชุมชนวิทยาศาสตร์ที่เติบโตขึ้นเรื่อยๆ นับตั้งแต่ทศวรรษ 1960 และ 1970 ในตอนแรก เครื่องเร่งความเร็วถูกสร้างขึ้นสำหรับฟิสิกส์อนุภาค "โหมดกาฝาก" ใช้รังสีซินโครตรอน ซึ่งการแผ่รังสีแม่เหล็กที่โค้งงอจะต้องถูกดึงออกมาโดยการเจาะรูเพิ่มเติมในหลอดบีม วงแหวนจัดเก็บชุดแรกที่นำมาใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนคือ Tantalus ซึ่งเปิดตัวครั้งแรกในปี 1968 เมื่อการแผ่รังสีของคันเร่งรุนแรงขึ้นและการประยุกต์ใช้งานก็มีแนวโน้มมากขึ้น อุปกรณ์ที่เพิ่มความเข้มของมันจึงถูกสร้างขึ้นในวงแหวนที่มีอยู่ วิธีการเลี้ยวเบนของรังสีซินโครตรอนได้รับการพัฒนาและปรับให้เหมาะสมตั้งแต่ต้นเพื่อให้ได้รังสีเอกซ์คุณภาพสูง กำลังพิจารณาแหล่งที่มาของรุ่นที่สี่ ซึ่งจะรวมถึงแนวคิดต่างๆ สำหรับการสร้างรังสีเอกซ์เชิงโครงสร้างที่สว่างจ้าเป็นพิเศษ แบบพัลซ์ และหมดเวลาสำหรับการทดลองที่มีความต้องการสูงและอาจยังไม่ได้สร้าง
เครื่องแรก
ในตอนแรก แม่เหล็กไฟฟ้าดัดในเครื่องเร่งอนุภาคถูกใช้เพื่อสร้างรังสีนี้ แต่บางครั้งอุปกรณ์พิเศษอื่นๆ อุปกรณ์แทรก ก็ได้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเอฟเฟกต์แสงที่แข็งแกร่งขึ้น วิธีการเลี้ยวเบนของรังสีซินโครตรอน (รุ่นที่สาม) มักจะขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ต้นทาง ซึ่งส่วนตรงของวงแหวนจัดเก็บจะมีระยะโครงสร้างแม่เหล็ก (ประกอบด้วยแม่เหล็กจำนวนมากในรูปแบบของขั้ว N และ S สลับกัน) ที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในเส้นทางไซน์หรือเกลียว ดังนั้น แทนที่จะโค้งงอเพียงครั้งเดียว "การหมุนวน" หลายสิบหรือหลายร้อยครั้งในตำแหน่งที่คำนวณได้อย่างแม่นยำจะเพิ่มหรือคูณความเข้มโดยรวมของลำแสง อุปกรณ์เหล่านี้เรียกว่า wigglers หรือ undulators ความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง undulator และ wiggler คือความเข้มของสนามแม่เหล็กและแอมพลิจูดของการเบี่ยงเบนจากเส้นทางตรงของอิเล็กตรอน อุปกรณ์และกลไกเหล่านี้ทั้งหมดได้รับการจัดเก็บไว้ที่ Center for Synchrotron Radiation (USA)
สกัด
เครื่องสะสมมีรูที่ปล่อยให้อนุภาคออกจากพื้นหลังการแผ่รังสีและตามเส้นของลำแสงไปยังห้องสุญญากาศของผู้ทำการทดลอง ลำแสงดังกล่าวจำนวนมากอาจมาจากอุปกรณ์ฉายรังสีซิงโครตรอนรุ่นที่สามที่ทันสมัย
อิเลคตรอนสามารถดึงออกมาจากเครื่องเร่งความเร็วจริงและเก็บไว้ในที่จัดเก็บแม่เหล็กแบบสุญญากาศเสริมแรงสูงพิเศษ จากตำแหน่งที่สามารถดึงออกมา (และที่ที่สามารถทำซ้ำได้) จำนวนมาก แม่เหล็กในวงแหวนจะต้องบีบอัดลำแสงซ้ำกับ "แรงคูลอมบ์" (หรือเรียกง่ายๆ ว่าประจุในอวกาศ) ที่มีแนวโน้มจะทำลายกลุ่มอิเล็กตรอน การเปลี่ยนทิศทางเป็นรูปแบบหนึ่งของการเร่งความเร็ว เนื่องจากอิเล็กตรอนปล่อยรังสีที่พลังงานสูงและความเร็วความเร่งสูงในตัวเร่งอนุภาค ตามกฎแล้วความสว่างของรังสีซินโครตรอนก็ขึ้นอยู่กับความเร็วเท่ากัน
