Spektrum radiasi sinkrotron tidak terlalu besar. Artinya, hanya dapat dibagi menjadi beberapa jenis. Jika partikelnya non-relativistik, maka radiasi tersebut disebut emisi siklotron. Sebaliknya, jika partikel-partikel bersifat relativistik, maka radiasi yang dihasilkan dari interaksinya kadang-kadang disebut ultrarelativistik. Radiasi sinkron dapat dicapai baik secara artifisial (dalam sinkrotron atau cincin penyimpanan) atau secara alami karena elektron cepat bergerak melalui medan magnet. Radiasi yang dihasilkan memiliki polarisasi karakteristik, dan frekuensi yang dihasilkan dapat bervariasi di seluruh spektrum elektromagnetik, juga disebut radiasi kontinum.
Pembukaan
Fenomena ini dinamai generator sinkrotron General Electric yang dibangun pada tahun 1946. Keberadaannya diumumkan pada Mei 1947 oleh ilmuwan Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir dan HerbPollock dalam suratnya "Radiasi dari elektron dalam sinkrotron". Tapi ini hanya penemuan teoretis, Anda akan membaca tentang pengamatan nyata pertama dari fenomena ini di bawah ini.
Sumber
Ketika partikel berenergi tinggi mengalami percepatan, termasuk elektron yang dipaksa bergerak sepanjang jalur melengkung oleh medan magnet, radiasi sinkrotron dihasilkan. Ini mirip dengan antena radio, tetapi dengan perbedaan bahwa secara teoritis kecepatan relativistik akan mengubah frekuensi yang diamati karena efek Doppler oleh koefisien Lorentz. Pemendekan panjang relativistik kemudian mengenai frekuensi yang diamati oleh faktor lain, sehingga meningkatkan frekuensi GHz rongga resonansi yang mempercepat elektron dalam rentang sinar-X. Daya radiasi ditentukan oleh rumus Larmor relativistik, dan gaya pada elektron yang dipancarkan ditentukan oleh gaya Abraham-Lorentz-Dirac.
Fitur lainnya
Pola radiasi dapat terdistorsi dari pola dipol isotropik menjadi kerucut radiasi berarah tinggi. Radiasi elektron sinkrotron adalah sumber sinar-X buatan yang paling terang.
Geometri percepatan planar tampaknya membuat radiasi terpolarisasi linier bila dilihat pada bidang orbit dan terpolarisasi sirkular bila dilihat sedikit miring terhadap bidang tersebut. Amplitudo dan frekuensi, bagaimanapun, berpusat pada ekliptika kutub.
Sumber radiasi sinkrotron juga merupakan sumber radiasi elektromagnetik (EM), yaitucincin penyimpanan yang dirancang untuk tujuan ilmiah dan teknis. Radiasi ini dihasilkan tidak hanya oleh cincin penyimpan, tetapi juga oleh akselerator partikel khusus lainnya, biasanya elektron yang mempercepat. Setelah berkas elektron energi tinggi dihasilkan, itu diarahkan ke komponen tambahan seperti magnet lentur dan perangkat penyisipan (undulator atau goyangan). Mereka menyediakan medan magnet yang kuat, sinar tegak lurus, yang diperlukan untuk mengubah elektron berenergi tinggi menjadi foton.
Penggunaan radiasi sinkrotron
Aplikasi utama cahaya sinkrotron adalah fisika benda terkondensasi, ilmu material, biologi, dan kedokteran. Sebagian besar percobaan menggunakan cahaya sinkrotron terkait dengan studi struktur materi dari tingkat sub-nanometer struktur elektronik hingga tingkat mikrometer dan milimeter, yang penting untuk pencitraan medis. Contoh aplikasi industri praktis adalah produksi struktur mikro menggunakan proses LIGA.
Radiasi sinkrotron juga dihasilkan oleh objek astronomi, biasanya di mana elektron relativistik berputar (dan karenanya mengubah kecepatan) melalui medan magnet.
Sejarah
Radiasi ini pertama kali ditemukan dalam roket yang ditembakkan oleh Messier 87 pada tahun 1956 oleh Geoffrey R. Burbidge, yang melihatnya sebagai konfirmasi dari prediksi Iosif Shklovsky pada tahun 1953, tetapi diprediksi sebelumnya oleh Hannes Alfven dan Nikolai Herlofson pada tahun 1950. Suar matahari mempercepat partikelyang memancarkan dengan cara ini, seperti yang diusulkan oleh R. Giovanolli pada tahun 1948 dan dijelaskan secara kritis oleh Piddington pada tahun 1952.
Ruang
Lubang hitam supermasif diusulkan untuk menciptakan radiasi sinkrotron dengan mendorong pancaran yang diciptakan oleh ion yang dipercepat secara gravitasi melalui daerah kutub medan magnet "tubular" supercorded. Pancaran semacam itu, yang paling dekat di Messier 87, diidentifikasi oleh teleskop Hubble sebagai sinyal superluminal yang bergerak pada frekuensi 6 × s (enam kali kecepatan cahaya) dari kerangka planet kita. Fenomena ini disebabkan oleh pancaran pancaran yang bergerak sangat dekat dengan kecepatan cahaya dan pada sudut yang sangat kecil terhadap pengamat. Karena pancaran kecepatan tinggi memancarkan cahaya di setiap titik di sepanjang jalurnya, cahaya yang mereka pancarkan tidak mendekati pengamat lebih cepat daripada pancaran itu sendiri. Cahaya yang dipancarkan selama ratusan tahun perjalanan mencapai pengamat dalam periode waktu yang jauh lebih singkat (sepuluh atau dua puluh tahun). Tidak ada pelanggaran teori relativitas khusus dalam fenomena ini.
Emisi impulsif radiasi gamma dari nebula dengan kecerahan hingga 25 GeV baru-baru ini terdeteksi, mungkin karena emisi sinkrotron oleh elektron yang terperangkap dalam medan magnet kuat di sekitar pulsar. Kelas sumber astronomi di mana emisi sinkrotron penting adalah nebula angin pulsar, atau plerion, di mana Nebula Kepiting dan pulsar terkait adalah pola dasarnya. Polarisasi di Nebula Kepiting pada energi antara 0,1 dan 1,0 MeV adalah radiasi sinkrotron yang khas.
Secara singkat tentang perhitungan dan penumbuk
Dalam persamaan tentang hal ini, istilah atau nilai khusus sering ditulis, melambangkan partikel yang membentuk apa yang disebut medan kecepatan. Istilah-istilah ini mewakili efek medan statis partikel, yang merupakan fungsi dari komponen kecepatan nol atau konstan dari gerakannya. Sebaliknya, suku kedua jatuh sebagai kebalikan dari pangkat pertama jarak dari sumber, dan beberapa istilah disebut medan percepatan atau medan radiasi karena merupakan komponen medan karena percepatan muatan (perubahan kecepatan).
Dengan demikian, kekuatan yang terpancar diskalakan sebagai energi dari kekuatan keempat. Radiasi ini membatasi energi penumbuk sirkular elektron-positron. Biasanya, penumbuk proton malah dibatasi oleh medan magnet maksimum. Oleh karena itu, misalnya, Large Hadron Collider memiliki pusat energi massa 70 kali lebih tinggi daripada akselerator partikel lainnya, bahkan jika massa proton 2000 kali massa elektron.
Terminologi
Bidang ilmu yang berbeda sering kali memiliki cara yang berbeda untuk mendefinisikan istilah. Sayangnya, di bidang sinar-X, beberapa istilah memiliki arti yang sama dengan "radiasi". Beberapa penulis menggunakan istilah "kecerahan", yang pernah digunakan untuk merujuk pada kecerahan fotometrik, atau digunakan secara tidak benar untuksebutan radiasi radiometrik. Intensitas berarti kerapatan daya per satuan luas, tetapi untuk sumber sinar-X biasanya berarti kecemerlangan.
Mekanisme terjadinya
Radiasi sinkrotron dapat terjadi pada akselerator baik sebagai kesalahan yang tidak terduga, menyebabkan hilangnya energi yang tidak diinginkan dalam konteks fisika partikel, atau sebagai sumber radiasi yang dirancang secara sengaja untuk berbagai aplikasi laboratorium. Elektron dipercepat ke kecepatan tinggi dalam beberapa langkah untuk mencapai energi akhir yang biasanya dalam kisaran gigaelektronvolt. Elektron dipaksa untuk bergerak dalam jalur tertutup oleh medan magnet yang kuat. Ini mirip dengan antena radio, tetapi dengan perbedaan bahwa kecepatan relativistik mengubah frekuensi yang diamati karena efek Doppler. Kontraksi Lorentz relativistik mempengaruhi frekuensi gigahertz, sehingga mengalikannya dalam rongga resonansi yang mempercepat elektron ke dalam rentang sinar-X. Efek dramatis lain dari relativitas adalah bahwa pola radiasi terdistorsi dari pola dipol isotropik yang diharapkan dari teori non-relativistik ke kerucut radiasi yang sangat terarah. Hal ini membuat difraksi radiasi sinkrotron cara terbaik untuk membuat sinar-X. Geometri percepatan datar membuat radiasi terpolarisasi linier bila dilihat pada bidang orbit dan menciptakan polarisasi melingkar bila dilihat sedikit miring terhadap bidang ini.
Berbagai kegunaan
Manfaat menggunakanradiasi sinkrotron untuk spektroskopi dan difraksi telah diterapkan oleh komunitas ilmiah yang terus berkembang sejak 1960-an dan 1970-an. Pada awalnya, akselerator diciptakan untuk fisika partikel. "Mode parasit" menggunakan radiasi sinkrotron, di mana radiasi magnetik lentur harus diekstraksi dengan mengebor lubang tambahan di tabung balok. Cincin penyimpanan pertama yang diperkenalkan sebagai sumber cahaya sinkrotron adalah Tantalus, yang pertama kali diluncurkan pada tahun 1968. Karena radiasi akselerator menjadi lebih intens dan aplikasinya menjadi lebih menjanjikan, perangkat yang meningkatkan intensitasnya dibangun ke dalam cincin yang ada. Metode difraksi radiasi sinkrotron dikembangkan dan dioptimalkan sejak awal untuk mendapatkan sinar-X berkualitas tinggi. Sumber generasi keempat sedang dipertimbangkan, yang akan mencakup berbagai konsep untuk membuat sinar-X struktural ultra-brilian, berdenyut, dan berjangka waktu untuk eksperimen yang sangat menuntut dan mungkin belum dibuat.
Perangkat pertama
Pada awalnya, elektromagnet lentur pada akselerator digunakan untuk menghasilkan radiasi ini, tetapi perangkat khusus lainnya, perangkat penyisipan, terkadang digunakan untuk menciptakan efek pencahayaan yang lebih kuat. Metode difraksi radiasi sinkrotron (generasi ketiga) biasanya bergantung pada perangkat sumber, di mana bagian lurus dari cincin penyimpanan mengandung periodikstruktur magnetik (mengandung banyak magnet dalam bentuk kutub N dan S bolak-balik) yang menyebabkan elektron bergerak dalam jalur sinusoidal atau spiral. Jadi, alih-alih satu tikungan, puluhan atau ratusan "putaran" dalam posisi yang dihitung secara tepat menambah atau melipatgandakan intensitas keseluruhan balok. Perangkat ini disebut goyangan atau undulator. Perbedaan utama antara undulator dan goyangan adalah intensitas medan magnetnya dan amplitudo deviasi dari jalur langsung elektron. Semua perangkat dan mekanisme ini sekarang disimpan di Center for Synchrotron Radiation (USA).
Ekstraksi
Akumulator memiliki lubang yang memungkinkan partikel meninggalkan latar belakang radiasi dan mengikuti garis pancaran ke ruang vakum eksperimen. Sejumlah besar sinar seperti itu mungkin berasal dari perangkat radiasi sinkrotron generasi ketiga modern.
Elektron dapat diekstraksi dari akselerator sebenarnya dan disimpan dalam penyimpanan magnetik vakum ultra-tinggi tambahan, dari mana elektron dapat diekstraksi (dan direproduksi) berkali-kali. Magnet di dalam cincin juga harus berulang kali memampatkan sinar melawan "gaya Coulomb" (atau, lebih sederhana, muatan ruang) yang cenderung menghancurkan tandan elektron. Perubahan arah adalah bentuk percepatan, karena elektron memancarkan radiasi pada energi tinggi dan kecepatan percepatan tinggi dalam akselerator partikel. Sebagai aturan, kecerahan radiasi sinkrotron juga bergantung pada kecepatan yang sama.
