El espectro de radiación de sincrotrón no es tan bueno. Es decir, se puede dividir en solo unos pocos tipos. Si la partícula no es relativista, dicha radiación se denomina emisión de ciclotrón. Si, por otro lado, las partículas son de naturaleza relativista, entonces las radiaciones resultantes de su interacción a veces se denominan ultrarrelativistas. La radiación síncrona se puede lograr de forma artificial (en sincrotrones o anillos de almacenamiento) o de forma natural debido a los electrones rápidos que se mueven a través de campos magnéticos. La radiación así producida tiene una polarización característica, y las frecuencias generadas pueden variar a lo largo de todo el espectro electromagnético, también llamado radiación continua.
Apertura
Este fenómeno recibió su nombre de un generador de sincrotrón de General Electric construido en 1946. Su existencia fue anunciada en mayo de 1947 por los científicos Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir y HerbPollock en su carta "Radiación de electrones en el sincrotrón". Pero esto fue solo un descubrimiento teórico, leerá sobre la primera observación real de este fenómeno a continuación.
Fuentes
Cuando las partículas de alta energía están en aceleración, incluidos los electrones forzados a moverse a lo largo de una trayectoria curva por un campo magnético, se produce radiación de sincrotrón. Esto es similar a una antena de radio, pero con la diferencia de que teóricamente la velocidad relativista cambiará la frecuencia observada debido al efecto Doppler por el coeficiente γ de Lorentz. El acortamiento de la longitud relativista golpea entonces la frecuencia observada por otro factor γ, aumentando así la frecuencia GHz de la cavidad resonante que acelera los electrones en el rango de rayos X. La potencia radiada está determinada por la fórmula relativista de Larmor, y la fuerza sobre el electrón radiado está determinada por la fuerza de Abraham-Lorentz-Dirac.
Otras características
El patrón de radiación se puede distorsionar de un patrón de dipolo isotrópico a un cono de radiación altamente dirigido. La radiación sincrotrón de electrones es la fuente artificial más brillante de rayos X.
La geometría de la aceleración planar parece hacer que la radiación se polarice linealmente cuando se ve en el plano de la órbita y polarizada circularmente cuando se ve en un ligero ángulo con respecto a ese plano. Sin embargo, la amplitud y la frecuencia están centradas en la eclíptica polar.
La fuente de radiación de sincrotrón es también una fuente de radiación electromagnética (EM), que esun anillo de almacenamiento diseñado para fines científicos y técnicos. Esta radiación es producida no solo por anillos de almacenamiento, sino también por otros aceleradores de partículas especializados, generalmente acelerando electrones. Una vez que se genera un haz de electrones de alta energía, se dirige a componentes auxiliares como imanes de flexión y dispositivos de inserción (onduladores o onduladores). Proporcionan fuertes campos magnéticos, haces perpendiculares, que son necesarios para convertir electrones de alta energía en fotones.
Uso de radiación sincrotrón
Las principales aplicaciones de la luz de sincrotrón son la física de la materia condensada, la ciencia de los materiales, la biología y la medicina. La mayoría de los experimentos que utilizan luz de sincrotrón están relacionados con el estudio de la estructura de la materia desde el nivel subnanométrico de la estructura electrónica hasta el nivel de micrómetro y milímetro, lo cual es importante para las imágenes médicas. Un ejemplo de aplicación industrial práctica es la producción de microestructuras mediante el proceso LIGA.
La radiación de sincrotrón también es generada por objetos astronómicos, generalmente donde los electrones relativistas giran en espiral (y por lo tanto cambian de velocidad) a través de campos magnéticos.
Historia
Esta radiación fue descubierta por primera vez en un cohete disparado por Messier 87 en 1956 por Geoffrey R. Burbidge, quien lo vio como una confirmación de la predicción de Iosif Shklovsky en 1953, pero fue predicha anteriormente por Hannes Alfven y Nikolai Herlofson en 1950. Las erupciones solares aceleran las partículasque emiten de esta manera, tal como lo propuso R. Giovanolli en 1948 y lo describió críticamente Piddington en 1952.
Espacio
Se propone que los agujeros negros supermasivos creen radiación de sincrotrón empujando chorros creados por iones que aceleran gravitacionalmente a través de regiones polares "tubulares" supercordadas de campos magnéticos. Dichos chorros, el más cercano de ellos en Messier 87, fueron identificados por el telescopio Hubble como señales superlumínicas que se mueven a una frecuencia de 6 × s (seis veces la velocidad de la luz) desde nuestro marco planetario. Este fenómeno es causado por los chorros que viajan muy cerca de la velocidad de la luz y en un ángulo muy pequeño con respecto al observador. Debido a que los chorros de alta velocidad emiten luz en cada punto a lo largo de su trayectoria, la luz que emiten no se acerca al observador mucho más rápido que el propio chorro. La luz emitida durante cientos de años de viaje llega al observador en un período de tiempo mucho más corto (diez o veinte años). No hay violación de la teoría especial de la relatividad en este fenómeno.
Recientemente se ha detectado una emisión impulsiva de radiación gamma de una nebulosa con un brillo de hasta ≧25 GeV, probablemente debido a la emisión de sincrotrón de electrones atrapados en un fuerte campo magnético alrededor del púlsar. Una clase de fuentes astronómicas donde la emisión de sincrotrón es importante son las nebulosas de viento púlsar, o pleriones, de las cuales la Nebulosa del Cangrejo y su púlsar asociado son arquetípicos. La polarización en la Nebulosa del Cangrejo a energías entre 0,1 y 1,0 MeV es una radiación de sincrotrón típica.
Brevemente sobre cálculo y colisionadores
En las ecuaciones sobre este tema, a menudo se escriben términos o valores especiales, que simbolizan las partículas que componen el llamado campo de velocidad. Estos términos representan el efecto del campo estático de la partícula, que es una función del componente de velocidad cero o constante de su movimiento. Por el contrario, el segundo término cae como el recíproco de la primera potencia de la distancia a la fuente, y algunos términos se denominan campo de aceleración o campo de radiación porque son componentes del campo debido a la aceleración de la carga (cambio de velocidad).
Por lo tanto, la potencia radiada se escala como una energía de cuarta potencia. Esta radiación limita la energía del colisionador circular electrón-positrón. Por lo general, los colisionadores de protones están limitados por el campo magnético máximo. Por lo tanto, por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones tiene un centro de energía de masa 70 veces más alto que cualquier otro acelerador de partículas, incluso si la masa de un protón es 2000 veces la de un electrón.
Terminología
Diferentes campos de la ciencia a menudo tienen diferentes formas de definir los términos. Desafortunadamente, en el campo de los rayos X, varios términos significan lo mismo que "radiación". Algunos autores usan el término "brillo", que alguna vez se usó para referirse al brillo fotométrico, o se usó incorrectamente paraDesignaciones de radiación radiométrica. Intensidad significa densidad de potencia por unidad de área, pero para fuentes de rayos X generalmente significa brillo.
Mecanismo de ocurrencia
La radiación de sincrotrón puede ocurrir en los aceleradores como un error imprevisto, causando pérdidas de energía no deseadas en el contexto de la física de partículas, o como una fuente de radiación diseñada deliberadamente para numerosas aplicaciones de laboratorio. Los electrones se aceleran a altas velocidades en varios pasos para alcanzar una energía final que suele estar en el rango de gigaelectronvoltios. Los electrones se ven obligados a moverse en un camino cerrado por fuertes campos magnéticos. Es similar a una antena de radio, pero con la diferencia de que la velocidad relativista cambia la frecuencia observada debido al efecto Doppler. La contracción relativista de Lorentz afecta la frecuencia de los gigahercios, multiplicándola así en una cavidad resonante que acelera los electrones en el rango de rayos X. Otro efecto dramático de la relatividad es que el patrón de radiación se distorsiona del patrón de dipolo isotrópico esperado de la teoría no relativista a un cono de radiación extremadamente dirigido. Esto hace que la difracción de radiación de sincrotrón sea la mejor manera de crear rayos X. La geometría de aceleración plana hace que la radiación se polarice linealmente cuando se ve en el plano de la órbita y crea una polarización circular cuando se ve en un ligero ángulo con respecto a este plano.
Varios usos
Beneficios de usarLa radiación de sincrotrón para la espectroscopia y la difracción ha sido implementada por una comunidad científica en constante crecimiento desde las décadas de 1960 y 1970. Al principio, los aceleradores se crearon para la física de partículas. El "modo parásito" usaba radiación de sincrotrón, donde la radiación magnética de flexión tenía que extraerse perforando agujeros adicionales en los tubos del haz. El primer anillo de almacenamiento introducido como fuente de luz de sincrotrón fue Tantalus, que se lanzó por primera vez en 1968. A medida que la radiación del acelerador se hizo más intensa y sus aplicaciones más prometedoras, se incorporaron dispositivos que mejoraron su intensidad en los anillos existentes. El método de difracción de radiación sincrotrón fue desarrollado y optimizado desde el principio para obtener rayos X de alta calidad. Se están considerando fuentes de cuarta generación, que incluirán varios conceptos para crear rayos X estructurales ultrabrillantes, pulsados y cronometrados para experimentos extremadamente exigentes y quizás aún no creados.
Primeros dispositivos
Al principio, se usaban electroimanes de flexión en aceleradores para generar esta radiación, pero a veces se usaban otros dispositivos especializados, dispositivos de inserción, para crear un efecto de iluminación más fuerte. Los métodos de difracción de radiación de sincrotrón (tercera generación) generalmente dependen de dispositivos fuente, donde las secciones rectas del anillo de almacenamiento contienenestructuras magnéticas (que contienen muchos imanes en forma de polos N y S alternos) que hacen que los electrones se muevan en una trayectoria sinusoidal o espiral. Por lo tanto, en lugar de una sola curva, muchas decenas o cientos de "remolinos" en posiciones calculadas con precisión agregan o multiplican la intensidad general del haz. Estos dispositivos se llaman onduladores u onduladores. La principal diferencia entre un ondulador y un ondulador es la intensidad de su campo magnético y la amplitud de la desviación del camino directo de los electrones. Todos estos dispositivos y mecanismos ahora están almacenados en el Centro de Radiación Sincrotrón (EE. UU.).
Extracción
El acumulador tiene orificios que permiten que las partículas abandonen el fondo de radiación y sigan la línea del haz hasta la cámara de vacío del experimentador. Una gran cantidad de estos haces pueden provenir de dispositivos modernos de radiación de sincrotrón de tercera generación.
Los electrones pueden extraerse del acelerador real y almacenarse en un almacenamiento magnético auxiliar de ultra alto vacío, desde donde pueden extraerse (y reproducirse) una gran cantidad de veces. Los imanes en el anillo también deben volver a comprimir repetidamente el haz contra las "fuerzas de Coulomb" (o, más simplemente, las cargas espaciales) que tienden a destruir los grupos de electrones. El cambio de dirección es una forma de aceleración, porque los electrones emiten radiación a altas energías y altas velocidades de aceleración en un acelerador de partículas. Por regla general, el brillo de la radiación de sincrotrón también depende de la misma velocidad.
