Синхротронное излучение
Синхротронное излучение — излучение электромагнитных волн релятивистскими заряженными частицами, движущимися по криволинейной траектории, то есть имеющими составляющую ускорения, перпендикулярную скорости. Синхротронное излучение создаётся в синхротронах, накопительных кольцах ускорителей, при движении заряженных частиц через ондулятор (последнее, вместе с другими случаями, когда частица движется в переменном магнитном поле, иногда выделяют в отдельный тип — ондуляторного излучения). Частота излучения может включать очень широкий спектральный диапазон, от радиоволн до рентгеновского излучения.
Благодаря синхротронному излучению ускорители заряженных частиц стали использоваться как мощные источники света, особенно в тех частотных диапазонах, где создание других источников, например, лазеров, связано с трудностями.
Вне земных условий синхротронное излучение образуется некоторыми астрономическими объектами (например, нейтронными звездами, лацертидами). Оно имеет особое, нетепловое частотное распределение и особенности поляризации.
Отличия от циклотронного излучения
[править | править код]Синхротронное излучение — частный случай магнитотормозного излучения. Магнитотормозное излучение нерелятивистских заряженных частиц называют циклотронным. Особенностью синхротронного излучения является то, что оно, в основном, распространяется в узком конусе по направлению движения электрона, то есть, по касательной к траектории его движения («прожекторный эффект»), тогда как циклотронное излучение распространяется по всей плоскости, перпендикулярной траектории движения. Из-за эффекта Доплера, его частота значительно выше, чем у циклотронного (другим аспектом является то, что линии высоких гармоник спектра находятся очень близко, поэтому он почти непрерывный, в отличие от циклотронного)[1]. Также, синхротронное излучение сильно поляризовано.
Свойства
[править | править код]Интенсивность
[править | править код]Общая интенсивность магнитотормозного излучения при движении заряженной частицы по круговой траектории в магнитном поле даётся формулой[2]
где I — интенсивность, e — электрический заряд частицы, m — её масса, v — скорость, B — магнитная индукция, c — скорость света.
В релятивистском случае, когда скорость частицы близка к скорости света, знаменатель быстро растёт, и интенсивность синхротронного излучения становится пропорциональной квадрату энергии, в отличие от пропорциональности энергии для нерелятивистского циклотронного излучения[3]:
где E — энергия частицы[4].
В случае электрона, за один оборот излучается энергия , где энергия измеряется в ГэВ, а радиус траектории — в метрах[5].
Угловое распределение
[править | править код]Синхротронное излучение очень анизотропно. При движении частицы по кругу в ускорителе оно в основном сосредоточено в плоскости орбиты, при использовании ондулятора — направлено в основном вперед в направлении движения частицы. Угловое отклонение не превышает[4]
- ,
где — энергия частицы ( для ультрарелятивистских частиц).
Например, электрон с энергией 2 ГэВ излучает в конусе с углом при вершине 50 угловых секунд[6].
Спектр
[править | править код]Частотный спектр излучения является линейчатым со значениями частот , где — частота вращения частицы (циклотронная частота), однако максимум излучения приходится на высокие гармоники:
- , где ,
где линии спектра расположены очень густо, поэтому можно говорить о квазинепрерывности спектра[7].
Общая формула, выражающая интенсивность излучения в зависимости от частоты записывается в виде[7]:
,
где критическая частота равна
а — функция Макдональда (модифицированная функция Бесселя второго рода)
В случае, когда n значительно меньше , интенсивность излучения равна
- ,
а в случае значительно больших n:
Импульсность
[править | править код]Сторонний наблюдатель видит излучение только когда частица движется прямо на него. Из-за этого он не может воспринимать его всё время, но фиксирует отдельные импульсы с частотой, равной частоте вращения частицы. Длительность каждого импульса равна:
в случае, если наблюдатель находится в плоскости вращения частицы.
Поляризация
[править | править код]Излучение линейно поляризовано в плоскости вращения частицы. Части излучения, направленные выше или ниже плоскости вращения являются право- и левоэллиптично поляризованным соответственно. Излучение, направленное в перпендикулярной плоскости вращения имеет круговую поляризацию, однако интенсивность излучения при больших углах падает экспоненциально.
История
[править | править код]В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген открыл излучение, названное позже его именем. В 1897 году Джозеф Томсон открыл электрон. В том же году Джозеф Лармор показал, что ускоряющиеся частицы излучают электромагнитные волны, а уже в 1898 году Альфред-Мари Лиенар описал излучение частицы, движущейся по окружности — прообраз синхротрона[8].
В 1907 году Джордж Шотт[англ.], разрабатывая теорию спектров, вывел формулы, описывающие излучение электрона при вращении на релятивистских скоростях. В своей работе Шотт не учитывал квантовые эффекты, поэтому она не была пригодна для основной своей цели — объяснение атомных спектров, а потому не стала известной, однако формулы углового распределения излучения оказались верными для случая макроскопического вращения[9].
В 1944 году Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук а также, независимо от них, Джулиан Швингер вывели уравнения, описывающие излучения частиц в бетатроне и определили максимальную энергию, которая может быть достигнута в нём[10]. В 1946 году эксперименты Джона Блюитта подтвердили их выводы по потере энергии электронами в бетатроне, однако непосредственно излучение не было зафиксировано, поскольку не было учтено смещение спектра излучения в область высоких частот[11].
27 апреля 1947 Герберт Поллок, Роберт Ленгмюр, Франк Элдер и Анатолий Гуревич, работая с синхротроном в лаборатории General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк, через прозрачное окно, что было сделано в кожухе синхротрона для наблюдения за возможными проблемами с электрооборудованием, заметили видимый свет, который излучался пучком электронов. Это явление было неожиданным и было замечено случайно. После исследования его соотнесли с предсказанным Померанчуком и Иваненко излучением релятивистских электронов[12][13].
В 1949 году Джон Болтон зафиксировал синхротронное излучение от некоторых астрономических объектов (Крабовидная туманность, галактика Центавр A, и другие)[14].
Источники излучения
[править | править код]Искусственные
[править | править код]На 2021 год в мире работает более 50 источников синхротронного излучения. Больше всего — в США (9) и Японии (8)[15].
Все источники условно разделяют на три поколения. Принципиальная их схема подобна, однако параметры отличаются на порядки. В среднем, за последние 50 лет, каждые десять лет яркость рентгеновских источников синхротронного излучения увеличивается в тысячу раз[16].
Первое поколение
[править | править код]Первыми источниками синхротронного излучения были ускорители высоких энергий, которые не были предназначены для его генерации. Излучение считалось паразитным эффектом, что затрудняло работу синхротронов и бетатронов. Такие источники использовались в первых экспериментах над синхротронным излучением в 1950-х и 1960-х годах[17].
Второе поколение
[править | править код]После того, как польза синхротронного излучения стала понятной, начали строиться устройства, предназначенные для его создания, так называемые «фабрики фотонов». Такие специализированные синхротроны получили название накопительные кольца[17]. Они построены таким образом, чтобы сохранять в себе пучок электронов долгое время. Для этого в них поддерживается вакуум высокой степени и используются специальные схемы расстановки (квадрупольных и секступольных[англ.]) магнитов, позволяющие формировать компактный пучок малого эмиттанса.
Третье поколение
[править | править код]Третье поколение в качестве излучателей использует не поворотные магниты, а специальные вставные устройства: вигглеры и ондуляторы — элементы, генерирующие сильное переменное магнитное поле, и при попадании внутрь них пучка электронов — синхротронное излучение высокой спектральной яркости. Такие накопительные кольца поддерживают возможность непрерывной инжекции электронов в пучок, что позволяет поддерживать его ток стабильным практически неограниченное время[17][16].
Четвёртое поколение
[править | править код]Четвёртое поколение за счёт более сложной магнитной системы накопителя формирует исключительно малый эмиттанс пучка электронов, позволяя приблизиться к дифракционному пределу размера источника света.
Природные
[править | править код]Особенностью природных источников синхротронного излучения является широкое распределение энергий заряженных частиц (протонов, электронов и ядер тяжёлых элементов), проходящих через магнитное поле. Обычно, энергия космических лучей имеет степенное распределение (показатель степени в среднем равен −3), поэтому суммарный спектр излучения приобретает другую форму — также степенную, [18]. Величину называют спектральным индексом излучения. Другим аспектом является самопоглощение излучения потоком частиц, из-за которого в спектрах наблюдается «завал» на низких частотах (они поглощаются лучше, чем высокие). Также, излучающие частицы могут двигаться в разреженной плазме, что также сильно меняет распределение интенсивности излучения (эффект Разина — Цитовича)[19].
Другой важной особенностью астрономических источников синхротронного излучения является то, что часто частицы движутся в переменном магнитном поле. Магнитное поле галактик является очень слабым, поэтому радиусы движения ультрарелятивистских частиц составляют сотни километров и более. При этом, сама структура магнитного поля галактики является запутанной, из-за чего движение частиц в ней напоминает броуновское[18]. Магнитное поле же меньших объектов, таких как нейтронные звезды, имеет большую напряженность, однако и значительно меньшую пространственную протяжённость.
Можно выделить следующие источники космического синхротронного излучения:
- Ядра активных галактик. Такие структуры найдены в квазарах и многих радиогалактик[20].
- «Радиопузыри» или «лбы» (англ. lobes — крупномасштабные структуры (их размеры достигают 4 МПк), пузырьки наполнены газом, обычно расположены симметрично вокруг галактики или квазара[21]. В нашей Галактике существуют подобные объекты — пузыри Ферми.
- Релятивистские струи, или джеты — длинные (до 300 000 световых лет[22]) струи газа, вырывающиеся из галактических ядер[21].
- нейтронные звезды — напряженность электрического поля у поверхности этих компактных звезд достигает 6 × 1010 Вт/см, поэтому частицы в нём быстро разгоняются до релятивистских скоростей, и начинают взаимодействовать с чрезвычайно сильным магнитным полем звезды. Фотоны, рождающиеся во время этого взаимодействия, являются одним из основных каналов потери нейтронной звездой энергии вращения[23].
- Остатки сверхновых. Взрыв сверхновой ускоряет частицы, а ударная волна в межзвездном газе сжимает его и создает зону усиленного магнитного поля. В молодых туманностях светят частицы, ускоренные сверхновой, а в более старых — высокоэнергетические космические лучи[24].
Временные явления, сопровождающиеся синхротронным излучением, могут наблюдаться и на Солнце, а также на планетах-гигантах (Юпитере и Сатурне)[25].
Неэлектромагнитное синхротронное излучение
[править | править код]Ускоренно движущиеся в магнитном поле заряженные частицы должны излучать не только электромагнитное, но и, с очень малой интенсивностью, все остальные поля, с которыми они взаимодействуют. Все частицы должны излучать гравитационные волны. Протоны должны распадаться и превращаться в другие частицы с излучением пи-мезонов, позитронов и нейтрино ().[26]
С точки зрения наблюдателя в ускоренной системе отсчета, процесс распада протона вызывается столкновением протона с тепловым фоном различных частиц (эффект Унру). Для экспериментального обнаружения распада ускоренного протона необходимы очень большие ускорения, которые пока невозможно создать[27].
Примечания
[править | править код]- ↑ Фетисов, 2007, p. 97.
- ↑ Ландау, Лифшиц, 1974, p. 256.
- ↑ Cыроватский С. И. Синхротронное излучение // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1994. — Т. 4: Пойнтинга — Робертсона — Стримеры. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
- ↑ 1 2 Ландау, Лифшиц, 1974, p. 258.
- ↑ Синхротронное излучение (Synchrotron Radiation) Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ Фетисов, 2007, p. 96.
- ↑ 1 2 Ландау, Лифшиц, 1974, p. 259.
- ↑ Synchrotron light Архивная копия от 31 марта 2016 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ History of Synchrotron Radiation Архивная копия от 5 августа 2020 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ On the Maximal Energy Attainable in a Betatron Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ Синхротронное излучение Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ The evolution of adedicated synchrotronlight source Архивная копия от 9 августа 2017 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ Radiation from Electrons in a Synchrotron Архивная копия от 21 апреля 2020 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ Synchrotron radiation, a basis of modern astrophysics Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ Light sources of the world Архивная копия от 7 мая 2021 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ 1 2 Синхротронное излучение в ИЯФ: формула успеха Архивная копия от 26 ноября 2020 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ 1 2 3 Синхротронное излучение в нанотехнологиях Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ 1 2 Космические лучи и синхротронное излучение Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ Синхротронное излучение Архивная копия от 10 августа 2020 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ Верходанов,Парийский, 2009, p. 40.
- ↑ 1 2 Верходанов,Парийский, 2009, p. 41.
- ↑ Джет из галактики Pictor A оказался в три раза длиннее Млечного Пути Архивная копия от 18 ноября 2018 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ Пульсары Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ Остатки вспышек сверхновых звезд Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (рус.)
- ↑ Саган, 2018, p. 320.
- ↑ Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И. Космическое магнитотормозное (синхротронное) излучение // УФН 87 65–111 (1965)
- ↑ Daniel A. T. Vanzella and George E. A. Matsas Decay of Accelerated Protons and the Existence of the Fulling-Davies-Unruh Effect // Phys. Rev. Lett. 87, 151301 – Published 25 September 2001
Литература
[править | править код]- Физическая энциклопедия, т. 4 — М.: Большая Российская Энциклопедия стр. 532 и стр. 533.
- Г. Фетисов. Синхротронное излучение. Методы исследования структуры веществ. — М.: Физматлит, 2007. — 672 с. — ISBN 9785457966543.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля // Теоретическая физика. — М.: Наука, 1974. — Т. 2.
- К.Саган. Мозг Брока. О науке, космосе и человеке. — М.: Альпина Паблишер, 2018. — 458 с. — ISBN 9785001390404.
- Олег Верходанов, Юрий Парийский. Радиогалактики и космология. — М.: Физматлиб, 2009. — 304 с. — ISBN 9785457967557.