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

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 излучения 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) . Также, синхротронное излучение сильно поляризовано .

Свойства

Интенсивность

Общая интенсивность магнитотормозного излучения при движении заряженной частицы по круговой траектории в магнитном поле даётся формулой

${\displaystyle I={\frac {2e^{4}B^{2}v^{2}}{3m^{2}c^{5}(1-v^{2}/c^{2})}}\,,}$

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 :

${\displaystyle I={\frac {2e^{4}B^{2}}{3m^{2}c^{3}}}{\left({\frac {E}{mc^{2}}}\right)}^{2}\,,}$

где E — энергия частицы .

В случае электрона, за один оборот излучается энергия ${\displaystyle \Delta E=88{\frac {E^{4}}{R}}}$ , где энергия измеряется в ГэВ, а радиус траектории — в метрах .

Угловое распределение

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

${\displaystyle \Delta \theta ={\frac {mc^{2}}{E}}}$ ,

где ${\displaystyle E}$ — энергия частицы ( ${\displaystyle E\gg mc^{2}}$ для ультрарелятивистских частиц).

Например, электрон с энергией 2 ГэВ излучает в конусе с углом при вершине 50 угловых секунд .

Спектр

Частотный спектр излучения является линейчатым со значениями частот ${\displaystyle \omega _{H}(n+1/2)}$ , где ${\displaystyle \omega _{H}}$ — частота вращения частицы ( циклотронная частота ), однако максимум излучения приходится на высокие гармоники:

${\displaystyle \omega _{max}=\omega _{H}\gamma ^{3}}$ , где ${\displaystyle \gamma =\left({\frac {E}{mc^{2}}}\right)}$ ,

где линии спектра расположены очень густо, поэтому можно говорить о квазинепрерывности спектра .

Общая формула, выражающая интенсивность излучения в зависимости от частоты записывается в виде :

${\displaystyle dI={\frac {{\sqrt {3}}e^{3}B}{2\pi mc^{2}}}{\frac {\omega }{\omega _{c}}}\int _{\omega /\omega _{c}}^{\infty }K_{5/3}(\eta )\,d\eta }$ ,

где критическая частота равна

${\displaystyle \omega _{c}={\frac {3eB}{2mc}}\left({\frac {E}{mc^{2}}}\right)^{2}}$

а ${\displaystyle K_{\nu }(\eta )}$ — функция Макдональда ( модифицированная функция Бесселя второго рода )

В случае, когда n значительно меньше ${\displaystyle \gamma ^{3}}$ , интенсивность излучения равна

${\displaystyle I_{n}=0,52{\frac {e^{4}B^{2}}{m^{2}c^{3}}}\gamma ^{2}n^{1/3}}$ ,

а в случае значительно больших n:

${\displaystyle I_{n}={\frac {e^{4}B^{2}n^{1/2}}{2{\sqrt {\pi }}m^{2}c^{3}}}\gamma ^{5/2}\exp \left[{-{\frac {2}{3}}n\gamma ^{3}}\right]}$

Импульсность

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:

${\displaystyle \tau ={\frac {R}{2\gamma ^{3}c}}}$

в случае, если наблюдатель находится в плоскости вращения частицы.

Поляризация

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

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 .

В 1907 году , 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 .

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 . 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 .

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 .

В 1949 году Джон Болтон зафиксировал синхротронное излучение от некоторых астрономических объектов ( Крабовидная туманность , галактика Центавр A , и другие) .

Источники излучения

Искусственные

На 2021 год в мире работает более 50 источников синхротронного излучения . Больше всего — в США (9) и Японии (8) .

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 .

Первое поколение

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 .

Второе поколение

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 . 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 ) магнитов, позволяющие формировать компактный пучок малого эмиттанса .

Третье поколение

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 .

Четвёртое поколение

Четвёртое поколение за счёт более сложной магнитной системы накопителя формирует исключительно малый эмиттанс пучка электронов, позволяя приблизиться к дифракционному пределу размера источника света.

Природные

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 ${\displaystyle I(E)\sim E^{-\beta }}$ (показатель степени в среднем равен −3), поэтому суммарный спектр излучения приобретает другую форму — также степенную, ${\displaystyle I(\nu )\propto \nu ^{\frac {-(\beta -1)}{2}}}$ . Величину ${\displaystyle {\frac {\beta -1}{2}}}$ 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) .

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 . 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 .
• «Радиопузыри» или «лбы» ( англ. lobes — крупномасштабные структуры (их размеры достигают 4 МПк), пузырьки наполнены газом, обычно расположены симметрично вокруг галактики или квазара . В нашей Галактике существуют подобные объекты — пузыри Ферми .
• Релятивистские струи , или джеты — длинные (до 300 000 световых лет ) струи газа, вырывающиеся из галактических ядер .
• нейтронные звезды — напряженность электрического поля у поверхности этих компактных звезд достигает 6 × 10 ¹⁰ 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 .
• 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 .

Временные явления, сопровождающиеся синхротронным излучением, могут наблюдаться и на Солнце, а также на планетах-гигантах ( Юпитере и Сатурне ) .

Неэлектромагнитное синхротронное излучение

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 ( ${\displaystyle p\to n+\pi ^{+},p\to p+\pi ^{0},p\to n+e^{+}+\nu }$ ).

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 .

Примечания

Литература

• Физическая энциклопедия, т. 4 — М.: Большая Российская Энциклопедия и .
• Г. Фетисов. . — М. : Физматлит, 2007. — 672 с. — ISBN 9785457966543 .
• Ландау Л.Д. , Теория поля // . — М. : Наука, 1974. — Т. 2.
• К.Саган . . — М. : Альпина Паблишер, 2018. — 458 с. — ISBN 9785001390404 .
• Олег Верходанов, Юрий Парийский. . — М. : Физматлиб, 2009. — 304 с. — ISBN 9785457967557 .