Sünkrotronkiirguse spekter ei ole nii suur. See tähendab, et seda saab jagada vaid mõneks tüübiks. Kui osake on mitterelativistlik, nimetatakse sellist kiirgust tsüklotroni emissiooniks. Kui seevastu osakesed on oma olemuselt relativistlikud, siis nende vastasmõjust tekkivat kiirgust nimetatakse mõnikord ultrarelativistlikuks. Sünkroonkiirgust saab saavutada kas kunstlikult (sünkrotronites või salvestusrõngastes) või looduslikult tänu kiiretele magnetväljade kaudu liikuvatele elektronidele. Nii toodetud kiirgusel on iseloomulik polarisatsioon ja tekkivad sagedused võivad varieeruda kogu elektromagnetilise spektri ulatuses, mida nimetatakse ka pidevaks kiirguseks.
Avamine
See nähtus sai nime 1946. aastal ehitatud General Electricu sünkrotrongeneraatori järgi. Selle olemasolust teatasid 1947. aasta mais teadlased Frank Elder, Anatoli Gurevitš, Robert Langmuir ja HerbPollock oma kirjas "Kiirgus elektronidest sünkrotronis". Kuid see oli ainult teoreetiline avastus, selle nähtuse esimesest tõelisest vaatlusest saate lugeda allpool.
Allikad
Kui suure energiaga osakesed, sealhulgas elektronid, mis on sunnitud liikuma mööda kõverat rada magnetvälja toimel, on kiirenduses, tekib sünkrotronkiirgus. See on sarnane raadioantenniga, kuid selle erinevusega, et teoreetiliselt muudab relativistlik kiirus vaadeldavat sagedust Doppleri efekti tõttu Lorentzi koefitsiendi γ võrra. Relativistliku pikkuse lühendamine tabab seejärel teise teguri γ poolt täheldatud sagedust, suurendades seeläbi resonantsõõnsuse sagedust GHz, mis kiirendab elektrone röntgenikiirguse vahemikus. Kiirgusvõimsus määratakse relativistliku Larmori valemiga ja kiirgavale elektronile mõjuv jõud määratakse Abraham-Lorentz-Dirac jõuga.
Muud funktsioonid
Kiirgusmuster võib moonduda isotroopsest dipoolmustrist tugev alt suunatud kiirguskoonuseks. Elektronsünkrotronkiirgus on eredaim kunstlik röntgenikiirgus.
Tasapinnalise kiirenduse geomeetria näib muutvat kiirguse orbiidi tasapinnal vaadatuna lineaarselt polariseeritud ja selle tasapinna suhtes väikese nurga all vaadatuna ringpolariseerituks. Amplituud ja sagedus on aga keskendunud polaarekliptikale.
Sünkrotronkiirguse allikas on ka elektromagnetilise kiirguse (EM) allikas, mis onteaduslikel ja tehnilistel eesmärkidel mõeldud säilitusrõngas. Seda kiirgust ei tekita mitte ainult salvestusrõngad, vaid ka muud spetsiaalsed osakeste kiirendid, tavaliselt kiirendavad elektronid. Kui suure energiaga elektronkiir on tekitatud, suunatakse see abikomponentidele, nagu painutusmagnetid ja sisestusseadmed (undulaatorid või vingerdajad). Need pakuvad tugevaid magnetvälju, risti asetsevaid kiiri, mis on vajalikud suure energiaga elektronide footoniteks muutmiseks.
Sünkrotronkiirguse kasutamine
Sünkrotronvalguse peamised rakendused on kondenseeritud aine füüsika, materjaliteadus, bioloogia ja meditsiin. Suurem osa sünkrotronvalgust kasutavaid katseid on seotud aine struktuuri uurimisega alates elektronstruktuuri subnanomeetrilisest tasemest kuni mikromeetri ja millimeetri tasemeni, mis on meditsiinilise pildistamise jaoks oluline. Praktilise tööstusliku rakenduse näide on mikrostruktuuride tootmine LIGA protsessi abil.
Sünkrotronkiirgust tekitavad ka astronoomilised objektid, tavaliselt seal, kus relativistlikud elektronid spiraalivad (ja seetõttu muudavad kiirust) läbi magnetvälja.
Ajalugu
Selle kiirguse avastas 1956. aastal Messier 87 poolt välja lastud raketist esmakordselt Geoffrey R. Burbidge, kes pidas seda Iosif Shklovsky 1953. aasta ennustuse kinnituseks, kuid seda ennustasid varem Hannes Alfven ja Nikolai Herlofson aastal 1950. aasta. Päikesekiired kiirendavad osakesimis sellisel viisil kiirgavad, nagu pakkus välja R. Giovanolli 1948. aastal ja kirjeldas kriitiliselt Piddington 1952. aastal.
Tühik
Supermassiivsed mustad augud on kavandatud sünkrotronkiirguse tekitamiseks, surudes gravitatsiooniliselt kiirendavate ioonide poolt tekitatud joad läbi magnetväljade ülijuhtmeliste "torukujuliste" polaarpiirkondade. Hubble'i teleskoop tuvastas sellised joad, neist lähimad Messier 87-s, kui superluminaalsed signaalid, mis liiguvad meie planeedi raamist sagedusega 6 × s (kuuekordne valguse kiirus). See nähtus on põhjustatud sellest, et joad liiguvad väga lähedal valguse kiirusele ja vaatleja suhtes väga väikese nurga all. Kuna kiired joad kiirgavad valgust igas oma teekonna punktis, ei lähene nende kiirgav valgus vaatlejale palju kiiremini kui juga ise. Seega jõuab sadade aastate jooksul kiiratud valgus vaatlejani palju lühema aja jooksul (kümme või kakskümmend aastat). See nähtus ei riku erirelatiivsusteooriat.
Hiljuti tuvastati kuni ≧25 GeV heledusega udukogu gammakiirguse impulsiivne emissioon, mis on tõenäoliselt tingitud pulsari ümber tugevasse magnetvälja lõksu jäänud elektronide sünkrotroni emissioonist. Astronoomiliste allikate klass, kus sünkrotronide emissioon on oluline, on pulsartuule udukogud ehk plerioonid, millest Krabi udukogu ja sellega seotud pulsar on arhetüüpsed. Polarisatsioon krabi udukogus energiavahemikus 0,1–1,0 MeV on tüüpiline sünkrotronkiirgus.
Lühid alt arvutamise ja põrgajate kohta
Selleteemalistes võrrandites kirjutatakse sageli eritermineid või väärtusi, mis sümboliseerivad osakesi, mis moodustavad niinimetatud kiirusvälja. Need terminid tähistavad osakese staatilise välja mõju, mis on selle liikumise null- või konstantse kiiruse komponendi funktsioon. Vastupidi, teine liige langeb allikast kauguse esimese astme pöördarvuna ja mõnda terminit nimetatakse kiirendusväljaks või kiirgusväljaks, kuna need on laengu kiirenduse tõttu välja komponendid (kiiruse muutus).
Seega skaleeritakse kiirgusvõimsus neljanda astme energiaks. See kiirgus piirab elektron-positroni ringpõrguja energiat. Tavaliselt piirab prootonite põrkajaid selle asemel maksimaalne magnetväli. Seetõttu on näiteks suure hadronipõrguti massienergia kese 70 korda kõrgem kui ühelgi teisel osakestekiirendil, isegi kui prootoni mass on 2000 korda suurem elektroni massist.
Terminoloogia
Erinevates teadusvaldkondades on terminite määratlemiseks sageli erinevad viisid. Röntgenikiirguse vallas tähendavad mitmed mõisted paraku sama, mis "kiirgus". Mõned autorid kasutavad terminit "heledus", mida kunagi kasutati fotomeetrilise heleduse tähistamiseks või mida kasutati valestiradiomeetrilise kiirguse tähistused. Intensiivsus tähendab võimsustihedust pindalaühiku kohta, kuid röntgenikiirgusallikate puhul tähendab see tavaliselt sära.
Esinemismehhanism
Sünkrotronkiirgus võib kiirendites tekkida kas ettenägematu veana, põhjustades osakeste füüsika kontekstis soovimatuid energiakadusid, või teadlikult kavandatud kiirgusallikana paljude laborirakenduste jaoks. Elektrone kiirendatakse mitme sammuga suure kiiruseni, et saavutada lõppenergia, mis tavaliselt jääb gigaelektronvolti vahemikku. Elektronid sunnivad liikuma suletud rada tugevate magnetväljade toimel. See sarnaneb raadioantenniga, kuid selle erinevusega, et relativistlik kiirus muudab Doppleri efekti tõttu vaadeldavat sagedust. Relativistlik Lorentzi kontraktsioon mõjutab gigahertsi sagedust, korrutades seda resonantsõõnes, mis kiirendab elektronid röntgenikiirguse vahemikku. Teine relatiivsusteooria dramaatiline mõju seisneb selles, et kiirgusmuster on moonutatud mitterelativistlikust teooriast eeldatud isotroopsest dipoolmustrist äärmiselt suunatud kiirguskoonuseni. See muudab sünkrotronkiirguse difraktsiooni parimaks viisiks röntgenikiirguse loomiseks. Tasapinnaline kiirendusgeomeetria muudab kiirguse orbiidi tasapinnal vaadates lineaarselt polariseerituks ja selle tasapinna suhtes väikese nurga all vaadatuna tekitab ringpolarisatsiooni.
Erineva kasutusega
Kasutamise eelisedsünkrotronkiirgust spektroskoopia ja difraktsiooni jaoks on alates 1960. ja 1970. aastatest rakendanud üha kasvav teadusringkond. Alguses loodi osakeste füüsika jaoks kiirendid. "Parasiitrežiimis" kasutati sünkrotronkiirgust, kus painutusmagnetkiirgust tuli ekstraheerida kiirtorudesse lisaaukude puurimisega. Esimene sünkrotronvalgusallikana kasutusele võetud salvestusrõngas oli Tantalus, mis lasti esmakordselt turule 1968. aastal. Kuna kiirendi kiirgus muutus intensiivsemaks ja selle rakendused paljulubavamaks, ehitati olemasolevatesse rõngastesse seadmed, mis suurendasid selle intensiivsust. Sünkrotronkiirguse difraktsioonimeetod töötati välja ja optimeeriti algusest peale kvaliteetse röntgenikiirguse saamiseks. Kaalutakse neljanda põlvkonna allikaid, mis hõlmavad erinevaid kontseptsioone ülihiilgavate impulss-ajastatud struktuursete röntgenikiirguste loomiseks äärmiselt nõudlike ja võib-olla veel tegemata katsete jaoks.
Esimesed seadmed
Algul kasutati selle kiirguse tekitamiseks kiirendites olevaid painutuselektromagneteid, kuid mõnikord kasutati tugevama valgusefekti tekitamiseks ka muid spetsiaalseid seadmeid, sisestusseadmeid. Sünkrotronkiirguse difraktsiooni (kolmas põlvkond) meetodid sõltuvad tavaliselt allikaseadmetest, kus salvestusrõnga sirged lõigud sisaldavad perioodilisimagnetstruktuurid (sisaldavad palju magneteid vahelduvate N- ja S-pooluste kujul), mis panevad elektronid liikuma siinus- või spira alteel. Seega ühe käänaku asemel lisavad või mitmekordistavad mitmed kümned või sajad täpselt välja arvutatud asendites toimuvad "pöörised" kiirte üldist intensiivsust. Neid seadmeid nimetatakse wiggleriteks või undulaatoriteks. Peamine erinevus undulaatori ja vingerdaja vahel on nende magnetvälja intensiivsus ja elektronide otsesest teest kõrvalekaldumise amplituud. Kõiki neid seadmeid ja mehhanisme hoitakse nüüd sünkrotronkiirguse keskuses (USA).
Ekstraheerimine
Akul on augud, mis võimaldavad osakestel lahkuda kiirgusfoonilt ja järgida kiirte joont katsetaja vaakumkambrisse. Suur hulk selliseid kiiri võib pärineda kaasaegsetest kolmanda põlvkonna sünkrotronkiirguse seadmetest.
Elektrone saab tegelikust kiirendist eraldada ja salvestada täiendavasse ülikõrge vaakummagnetihoidlasse, kust neid saab palju kordi eraldada (ja reprodutseerida). Rõngas olevad magnetid peavad ka korduv alt kiirt uuesti kokku suruma "Coulombi jõudude" (või lihtsam alt öeldes ruumilaengute) vastu, mis kipuvad elektronihunnikuid hävitama. Suunamuutus on kiirenduse vorm, kuna elektronid kiirgavad osakeste kiirendis suure energia ja suure kiirenduskiirusega kiirgust. Samast kiirusest sõltub reeglina ka sünkrotronkiirguse heledus.
