O espectro da radiação síncrotron não é tão grande. Ou seja, pode ser dividido em apenas alguns tipos. Se a partícula não for relativística, essa radiação é chamada de emissão de cíclotron. Se, por outro lado, as partículas são de natureza relativística, então as radiações resultantes de sua interação são às vezes chamadas de ultrarelativistas. A radiação síncrona pode ser alcançada artificialmente (em síncrotrons ou anéis de armazenamento) ou naturalmente devido a elétrons rápidos se movendo através de campos magnéticos. A radiação assim produzida tem uma polarização característica, e as frequências geradas podem variar em todo o espectro eletromagnético, também chamada de radiação contínua.
Abertura
Esse fenômeno recebeu o nome de um gerador síncrotron da General Electric construído em 1946. Sua existência foi anunciada em maio de 1947 pelos cientistas Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir e HerbPollock em sua carta "Radiação de elétrons no síncrotron". Mas esta foi apenas uma descoberta teórica, você lerá sobre a primeira observação real desse fenômeno abaixo.
Fontes
Quando partículas de alta energia estão em aceleração, incluindo elétrons forçados a se mover ao longo de um caminho curvo por um campo magnético, a radiação síncrotron é produzida. Isso é semelhante a uma antena de rádio, mas com a diferença de que teoricamente a velocidade relativística mudará a frequência observada devido ao efeito Doppler pelo coeficiente de Lorentz γ. O encurtamento do comprimento relativístico atinge então a frequência observada por outro fator γ, aumentando assim a frequência GHz da cavidade ressonante que acelera os elétrons na faixa dos raios X. A potência irradiada é determinada pela fórmula relativística de Larmor, e a força sobre o elétron irradiado é determinada pela força de Abraham-Lorentz-Dirac.
Outros recursos
O padrão de radiação pode ser distorcido de um padrão de dipolo isotrópico para um cone de radiação altamente direcionado. A radiação síncrotron de elétrons é a fonte artificial mais brilhante de raios X.
A geometria da aceleração planar parece tornar a radiação polarizada linearmente quando vista no plano da órbita e polarizada circularmente quando vista em um pequeno ângulo em relação a esse plano. A amplitude e a frequência, no entanto, estão centradas na eclíptica polar.
A fonte de radiação síncrotron é também uma fonte de radiação eletromagnética (EM), que éum anel de armazenamento projetado para fins científicos e técnicos. Essa radiação é produzida não apenas por anéis de armazenamento, mas também por outros aceleradores de partículas especializados, geralmente acelerando elétrons. Uma vez que um feixe de elétrons de alta energia é gerado, ele é direcionado para componentes auxiliares, como ímãs de dobra e dispositivos de inserção (onduladores ou wigglers). Eles fornecem campos magnéticos fortes, feixes perpendiculares, que são necessários para converter elétrons de alta energia em fótons.
Uso de radiação síncrotron
As principais aplicações da luz síncrotron são física da matéria condensada, ciência dos materiais, biologia e medicina. A maioria dos experimentos com luz síncrotron está relacionada ao estudo da estrutura da matéria desde o nível subnanômetro da estrutura eletrônica até o nível de micrômetro e milímetro, o que é importante para imagens médicas. Um exemplo de aplicação prática industrial é a produção de microestruturas pelo processo LIGA.
A radiação síncrotron também é gerada por objetos astronômicos, geralmente onde os elétrons relativísticos espiralam (e, portanto, mudam de velocidade) através de campos magnéticos.
Histórico
Esta radiação foi descoberta pela primeira vez em um foguete disparado por Messier 87 em 1956 por Geoffrey R. Burbidge, que a viu como uma confirmação da previsão de Iosif Shklovsky em 1953, mas foi prevista anteriormente por Hannes Alfven e Nikolai Herlofson em 1950. Explosões solares aceleram partículasque emitem desta forma, como proposto por R. Giovanolli em 1948 e descrito criticamente por Piddington em 1952.
Espaço
Buracos negros supermassivos são propostos para criar radiação síncrotron empurrando jatos criados por íons gravitacionalmente acelerados através de regiões polares "tubulares" supercordadas de campos magnéticos. Esses jatos, o mais próximo deles em Messier 87, foram identificados pelo telescópio Hubble como sinais superluminais movendo-se a uma frequência de 6 × s (seis vezes a velocidade da luz) de nosso quadro planetário. Este fenômeno é causado pelos jatos que viajam muito perto da velocidade da luz e em um ângulo muito pequeno para o observador. Como os jatos de alta velocidade emitem luz em todos os pontos ao longo de seu caminho, a luz que emitem não se aproxima do observador muito mais rápido do que o próprio jato. A luz emitida ao longo de centenas de anos de viagem atinge o observador em um período de tempo muito mais curto (dez ou vinte anos). Não há violação da teoria da relatividade especial neste fenômeno.
Uma emissão impulsiva de radiação gama de uma nebulosa com brilho de até ≧25 GeV foi detectada recentemente, provavelmente devido à emissão de síncrotron por elétrons presos em um forte campo magnético ao redor do pulsar. Uma classe de fontes astronômicas onde a emissão de síncrotron é importante são as nebulosas de vento pulsar, ou plerions, das quais a Nebulosa do Caranguejo e seu pulsar associado são arquetípicos. A polarização na Nebulosa do Caranguejo em energias entre 0,1 e 1,0 MeV é uma radiação síncrotron típica.
Resumidamente sobre cálculo e colisores
Em equações sobre este assunto, muitas vezes são escritos termos ou valores especiais, simbolizando as partículas que compõem o chamado campo de velocidade. Esses termos representam o efeito do campo estático da partícula, que é uma função do componente de velocidade zero ou constante de seu movimento. Pelo contrário, o segundo termo cai como o recíproco da primeira potência da distância da fonte, e alguns termos são chamados de campo de aceleração ou campo de radiação porque são componentes do campo devido à aceleração da carga (mudança de velocidade).
Assim, a potência irradiada é dimensionada como uma energia da quarta potência. Esta radiação limita a energia do colisor circular elétron-pósitron. Normalmente, os colisores de prótons são limitados pelo campo magnético máximo. Portanto, por exemplo, o Grande Colisor de Hádrons tem um centro de energia de massa 70 vezes maior do que qualquer outro acelerador de partículas, mesmo que a massa de um próton seja 2000 vezes maior que a de um elétron.
Terminologia
Diferentes campos da ciência geralmente têm maneiras diferentes de definir termos. Infelizmente, no campo dos raios X, vários termos significam a mesma coisa que "radiação". Alguns autores usam o termo "brilho", que já foi usado para se referir ao brilho fotométrico, ou foi usado incorretamente paradesignações de radiação radiométrica. Intensidade significa densidade de potência por unidade de área, mas para fontes de raios X geralmente significa brilho.
Mecanismo de ocorrência
A radiação síncrotron pode ocorrer em aceleradores como um erro imprevisto, causando perdas de energia indesejadas no contexto da física de partículas, ou como uma fonte de radiação projetada deliberadamente para inúmeras aplicações de laboratório. Os elétrons são acelerados a altas velocidades em várias etapas para atingir uma energia final que geralmente está na faixa de gigaelétron-volts. Os elétrons são forçados a se mover em um caminho fechado por fortes campos magnéticos. É semelhante a uma antena de rádio, mas com a diferença de que a velocidade relativística altera a frequência observada devido ao efeito Doppler. A contração relativística de Lorentz afeta a frequência gigahertz, multiplicando-a assim em uma cavidade ressonante que acelera os elétrons na faixa de raios-X. Outro efeito dramático da relatividade é que o padrão de radiação é distorcido do padrão de dipolo isotrópico esperado da teoria não-relativística para um cone de radiação extremamente direcionado. Isso torna a difração de radiação síncrotron a melhor maneira de criar raios-X. A geometria de aceleração plana torna a radiação polarizada linearmente quando vista no plano da órbita e cria polarização circular quando vista em um pequeno ângulo em relação a este plano.
Vários usos
Benefícios do usoA radiação síncrotron para espectroscopia e difração tem sido implementada por uma comunidade científica cada vez maior desde os anos 1960 e 1970. No início, os aceleradores foram criados para a física de partículas. O "modo parasita" usava radiação síncrotron, onde a radiação magnética de flexão tinha que ser extraída perfurando furos adicionais nos tubos do feixe. O primeiro anel de armazenamento introduzido como fonte de luz síncrotron foi o Tantalus, lançado pela primeira vez em 1968. À medida que a radiação do acelerador se tornava mais intensa e suas aplicações se tornavam mais promissoras, dispositivos que aumentavam sua intensidade foram incorporados aos anéis existentes. O método de difração de radiação síncrotron foi desenvolvido e otimizado desde o início para obter raios-X de alta qualidade. As fontes de quarta geração estão sendo consideradas, que incluirão vários conceitos para a criação de raios-X estruturais ultrabrilhantes, pulsados e cronometrados para experimentos extremamente exigentes e talvez ainda não criados.
Primeiros dispositivos
No início, eletroímãs de flexão em aceleradores eram usados para gerar essa radiação, mas outros dispositivos especializados, dispositivos de inserção, às vezes eram usados para criar um efeito de iluminação mais forte. Os métodos de difração de radiação síncrotron (terceira geração) geralmente dependem de dispositivos de fonte, onde as seções retas do anel de armazenamento contêmestruturas magnéticas (contendo muitos ímãs na forma de pólos N e S alternados) que fazem com que os elétrons se movam em um caminho senoidal ou espiral. Assim, em vez de uma única curva, muitas dezenas ou centenas de "redemoinhos" em posições precisamente calculadas somam ou multiplicam a intensidade geral do feixe. Esses dispositivos são chamados wigglers ou onduladores. A principal diferença entre um ondulador e um wiggler é a intensidade de seu campo magnético e a amplitude do desvio do caminho direto dos elétrons. Todos esses dispositivos e mecanismos estão agora armazenados no Centro de Radiação Síncrotron (EUA).
Extração
O acumulador possui orifícios que permitem que as partículas saiam do fundo de radiação e sigam a linha do feixe até a câmara de vácuo do experimentador. Um grande número desses feixes pode vir de dispositivos modernos de radiação síncrotron de terceira geração.
Elétrons podem ser extraídos do próprio acelerador e armazenados em um armazenamento magnético auxiliar de ultra- alto vácuo, de onde podem ser extraídos (e reproduzidos) um grande número de vezes. Os ímãs no anel também devem recomprimir repetidamente o feixe contra as "forças de Coulomb" (ou, mais simplesmente, cargas espaciais) que tendem a destruir os feixes de elétrons. A mudança de direção é uma forma de aceleração, porque os elétrons emitem radiação em altas energias e altas velocidades de aceleração em um acelerador de partículas. Como regra, o brilho da radiação síncrotron também depende da mesma velocidade.
