Radiația de sincrotron în domeniul razelor X. Proprietățile radiației sincrotron. Proprietățile de bază ale radiației sincrotron

Konstantin Zolotarev, Pavel Piminov
„Știința de prima mână” №2(62), 2015

În urmă cu aproape o jumătate de secol, remarcabilul fizician rus G. I. Budker, fondatorul Institutului de Fizică Nucleară din Novosibirsk, care a propus și implementat ideea creșterii energiei de interacțiune a particulelor prin metoda coliziunii fasciculelor, numite acceleratoare de particule încărcate. microscoapele fizicii moderne, deoarece permit să se judece structura obiectului observat din imaginea împrăștierii unui flux de particule pe acesta, doar nu cuante luminoase, ca într-un microscop, ci particule de înaltă energie. Odată cu creșterea energiilor limitatoare ale acceleratoarelor, a început o adevărată revoluție în teorie particule elementareși interacțiunile intranucleare, continuând până în zilele noastre, a căror importanță pentru știință și practică cu greu poate fi supraestimată.

• „SPAȚIU” și „FLACĂ” (A. Nikolenko)
• Misterul părului de aramă (N. Polosmak, V. Trunova)
• Cluburi sau mânere de sicriu? (N. Polosmak, K. Cooper)

Să coordoneze eforturile care vizează dezvoltarea cercetării cu SR, utilizarea eficientă a surselor SR și îmbunătățirea calității cercetării, la 1 decembrie 1981, pe baza echipamentelor și laboratoarelor acceleratoare ale INP SB AS URSS, Centrul Siberian de Radiații Sincrotron. a fost înființat, care în 1991 a fost transformat în Centrul Internațional Siberian pentru Radiații Sincrotron (SibMCSR) - un laborator deschis al Institutului, la care pot participa organizații și persoane din Rusia și străinătate. În 2003 a fost pusă în funcțiune prima etapă a laserului cu electroni liberi, iar în 2005 centrul utilizare colectivă a fost redenumit Centrul Siberian pentru Radiații Sincrotron și Teraherți (SCSTI).

Astfel, deși experimente cu utilizarea fasciculelor de radiații sincrotron au fost efectuate la INP din 1973, în aceste scopuri este încă mai mult de patruzeci de ani mai târziu! - Se folosesc VEPP-3 / VEPP-4, adică surse SR de prima generație nu prea luminoase care funcționează în domeniul de raze X (lungime de undă de la 0,01 la 1 nm) și energie a fasciculului de 2 sau 4 GeV.

Trebuie remarcat faptul că, odată cu lansarea în 2003 a primei etape a unui laser cu electroni liberi, o sursă de fascicule de radiații terahertzi de mare putere, arsenalul de cercetare al Institutului s-a extins fundamental, dar acest lucru nu a înlăturat problema creării unui sursă SR de nouă generație mai puternică, care face posibilă efectuarea lucrărilor în domeniul cu raze X. .

Astăzi, există câteva zeci de centre mari de cercetare care operează în lume cu surse de radiație sincrotron de a treia generație, cum ar fi cea britanică. Sursă de lumină diamant, elvețian Sursă de lumină elvețiană, Limba franceza soare si altele, si inca doua surse „luminoase” sunt cele americane NSLS-2și suedeză MAX IV- sunt in prezent in stare de lansare. Toate aceste centre sunt solicitate și funcționează la capacitate maximă; organizează sisteme expert pentru alocarea „timpului fasciculului”: pe bază de concurență - pentru cercetători și plătit - pentru alți utilizatori. Consumatorii plătitori tipici sunt marile companii farmaceutice care creează și testează noi medicamentele este o muncă imensă, constantă și costisitoare.

INP nu poate concura centrele majore pe „drumurile stâlpilor” – nu avem caracteristicile fasciculului care ar fi competitive pe „piața mare”. Și dacă unul dintre oamenii de știință sau tehnologii autohtoni are o sarcină specifică, serioasă - de exemplu, să testeze un nou medicament, atunci este mai ușor pentru ei să meargă în aceeași Anglia sau Franța, la Centrul European pentru Radiația Sincrotronului ( ESRF), al cărui membru este și țara noastră.

Istoria radiației sincrotron

Pe de altă parte, bremsstrahlung-ul emis de particulele încărcate care se mișcă cu viteze relativiste în câmpul magnetic al acceleratorilor a părut la început un produs secundar nefericit al procesului de accelerare, deoarece a însemnat pierderi mari de energie care trebuiau compensate. Deoarece o astfel de radiație a fost observată pentru prima dată într-un sincrotron - un accelerator rezonant ciclic, a început să fie numită sincrotron, deși, în principiu, orice dispozitiv care deviază particulele încărcate poate servi drept sursă.

Dar radiația sincrotron (SR) a trecut în mod surprinzător de repede calea „de la Cenușăreasa la prințesă”, iar această transformare s-a datorat unor astfel de caracteristici ale „caracterului” său, cum ar fi o lățime mare a spectrului de radiații - de la infraroșu la raze X dure, un grad ridicat de directivitate și polarizare, periodicitate în scara nanosecunde și, în final, putere mare (deși aceste din urmă calități sunt deja meritul dispozitivelor specializate care o generează). Ideea posibilității de a utiliza radiația particulelor relativiste a fost exprimată încă din 1947 de un fizician teoretician rus și viitor. Laureat Nobel VL Ginzburg, iar în următoarea jumătate de secol, radiația sincrotron a devenit un instrument universal și foarte eficient pentru înțelegerea lumii înconjurătoare.

Există trei generații de surse de radiație sincrotron. Primul include sincrotroni și inele de stocare concepute pentru fizica energiei înalte; la al doilea - inele de stocare, concepute special ca surse SR. Radiația din aceste surse este de obicei generată de magneți deflectori și, deoarece este direcționată tangențial la traiectoria particulei, ca farurile mașinii într-o curbă, fasciculul său are o formă în formă de evantai cu un unghi mare de împrăștiere.

A treia generație include inele de stocare cu spații drepte lungi și structuri magnetice încorporate de polaritate alternativă, generând radiații sincrotron care au dimensiuni mai mici ale fasciculului, intensitate mai mare și luminozitate spectrală mult mai mare. Ultimul indicator este cel mai important parametru, deoarece determină valoarea fluxului de fotoni utili. Datorită muncii intenționate a fizicienilor acceleratori, luminozitatea surselor de raze X SR a crescut cu trei ordine de mărime la fiecare zece ani! Cu toate acestea, chiar și în cele mai moderne surse SR, valoarea fotonilor „utili” este doar miimi din fluxul luminos total, prin urmare, în ultimul deceniu, comunitatea fizică mondială a lucrat activ la proiecte pentru noua generație de SR, a patra generație. surse.

Cu toate acestea, chiar și pentru sursele noastre departe de „tinere”, există suficientă muncă, atât de cercetare, cât și tehnologică de rutină. De exemplu, angajații Institutului de Cataliză al Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe analizează în mod constant aici mostre de noi catalizatori care urmează să fie lansați în producția industrială. Dar principalul nostru avantaj, probabil, este că la INP, radiația sincrotron și-a păstrat într-o mai mare măsură statutul inițial nereglementat ca instrument de căutare, cu care aproape orice om de știință interesat își poate testa ideea, chiar dacă puțin „nebună”.

În acest sens, este foarte important ca sursele noastre SR să fie situate într-o facilitate de infrastructură atât de neobișnuită precum Novosibirsk Academgorodok, adică într-un mediu multidisciplinar mare. Și aceiași arheologi, departe de fizică, de exemplu, pot practic „ca un vecin” să apeleze la noi și să analizeze orice artefact care îi interesează. La urma urmei, cunoștințele noi, de regulă, apar ca rezultat al unei combinații de mostre de utilizator unice și instrumente de cercetare adecvate care pot fi implementate folosind SI.

„SPAȚIU” și „FLACĂ”

Stația de radiații sincrotron KOSMOS a fost înființată în 2007 în cooperare cu Institutul Optical de Stat (Sankt Petersburg). Iar prima lucrare efectuată aici a fost calibrarea Space Solar Patrol, un set de spectrometre spațiale create la acest institut. Aceste dispozitive sunt concepute pentru a monitoriza radiația solară în raze X moi și ultraviolete extreme (EUV) - astfel de informații sunt extrem de importante pentru studierea influenței activității solare asupra diferitelor procese terestre, de la vreme până la biologice. Astfel de spectrometre nu pot funcționa în condiții terestre, deoarece atmosfera nu transmite radiații în intervalul necesar, dar trebuie testate pe Pământ.

Așa a apărut stația noastră - o mică bucată de „spațiu cosmic”, închisă într-o cameră cu vid, în care radiația sincrotron vine de la colizionatorul VEPP-4. Combinația de vid înalt și fluxuri puternice de radiație creează condiții în volumele experimentale ale stației similare cu cele din spațiul cosmic apropiat de Pământ.

Radiația sincrotron oferă un flux de fotoni într-un interval spectral larg - de la radiații vizibile la raze X dure. Pentru a izola fotonii cu energia necesară, la stație este instalat un monocromator cu rețele de difracție și oglinzi multistrat. Acum folosim oglinzi multistrat din propria noastră producție, dar în viitor intenționăm să trecem la optica Institutului de Fizică a Microstructurilor Nizhny Novgorod - lider în producția de astfel de optici în Rusia, binecunoscut în comunitatea științifică mondială. . „KOSMOS” este astăzi singura stație internă de radiații sincrotron, care funcționează pentru nevoile metrologiei în gama soft de raze X și EUV.

Acum, în "spațiul" nostru experimental este instalat mostra tehnologica echipament de satelit al Institutului de Geofizică Aplicată din Moscova (Moscova), creat la NPO Typhoon (Obninsk). Acest dispozitiv va fi amplasat pe panoul solar al stației spațiale, ceea ce îi va asigura orientarea constantă către Soare. Reglementările tehnice de acceptare spațială necesită calibrarea obligatorie pentru astfel de dispozitive și noi suntem cei care dăm dispozitivului un „bilet la satelit” atât de necesar. Stația noastră este, de asemenea, singura unitate din Rusia care poate efectua o astfel de calibrare a echipamentelor spațiale.

Deocamdată lucrăm la tehnica de calibrare pe un prototip, dar până în toamnă este așteptată sosirea dispozitivului, care ar trebui să intre pe orbită.

În stație se desfășoară și alte lucrări metrologice: aici sunt testate elemente optice care funcționează în gama EUV, care pot fi folosite pentru cele mai noi tehnologiiîn producția de nanoelectronice, precum și detectoare concepute pentru a monitoriza plasma laser în experimente de fuziune termonucleară controlată. Plasma generează fulgere de raze X foarte scurte și strălucitoare, iar pentru a nu fi orbit, detectorul trebuie să aibă viteză mare și sensibilitate scăzută. Astfel de parametri ai detectorului fac extrem de dificilă calibrarea acestuia la alte unități decât ale noastre.

Același canal de ieșire a radiației sincrotron, pe care este instalată stația COSMOS, este utilizat și pentru o altă stație cu numele „vorbitor” „FLAME”, care este acum creată împreună cu Institutul de Cinetică Chimică și Combustie din Novosibirsk. Sarcina colegilor de la ICC&G SB RAS este asamblarea unei instalații cu arzător încorporat pentru a produce o flacără, instalarea și pornirea echipamentului de analiză. Sarcina noastră este să creăm un fascicul de radiație sincrotron cu parametrii necesari, suficient de puternic și „pur” în ceea ce privește compoziția spectrală, care va fi folosit ca instrument fin reglat pentru ionizarea selectivă a produselor de ardere.

Flacăra este un fenomen foarte complex: între începutul arderii materiei organice și transformarea acesteia în produse finite (în cazul ideal, apă și dioxid de carbon), mii de diverse reacții chimice. Pentru a organiza procesul de ardere corect, cel mai eficient și prietenos cu mediul, este necesar un studiu amănunțit al etapelor intermediare ale reacției. De obicei, un fascicul de electroni este utilizat pentru a ioniza produsele de reacție; cu toate acestea, particulele sale nu sunt suficient de „aliniate” în energie, iar utilizarea sa ca fascicul de testare are limitările sale. Radiația de sincrotron în acest sens este semnificativ diferită în bine: cu ajutorul ei, va fi posibilă ruperea cu precizie a legăturilor chimice strict definite în interiorul moleculelor, ceea ce va face posibilă nu numai determinarea substanțe chimice formate în timpul arderii, dar chiar distingeți izomerii de aceeași compoziție!

„FLACA”-ul nostru va fi a treia astfel de stație de sincrotron din lume, după SUA și China, și prima din Rusia. Așa cum era de așteptat, primul obiect care va fi studiat va fi combustibilul biodiesel - un purtător de energie regenerabilă care nu perturbă echilibrul gazelor cu efect de seră din atmosferă.

În plus, creăm și folosim metode care în principiu sunt greu de dezvoltat în centre mari de sincrotron, inclusiv din cauza restricțiilor administrative și organizatorice. Un exemplu este studiul proceselor de detonare cu o rezoluție temporală submilisecundă într-o cameră specială de explozie situată direct pe canalul de ieșire a radiației sincrotronului. Deoarece radiația sincrotron nu iese într-un flux continuu, ci sub formă de fulgerări scurte, repetând structura temporală a mănunchiurilor scurte de electroni (în cazul nostru, durata acestor fulgerări este de 1 ns, iar perioada de repetiție este de aproximativ 100 ns). ), apoi, studiind caracteristicile interacțiunii unei astfel de radiații cu materia , este posibil să se determine starea curentă a materiei cu rezoluția de timp adecvată. Adică, în momentul în care detonația continuă, să studiem natura proceselor chimice care au loc în zona de mișcare a frontului de detonare, dinamica creșterii nanodiamantelor de detonare și alte efecte de interes pentru specialiști.

Prima stație experimentală „Detonație” a fost instalată pe inelul de stocare VEPP-3, iar ulterior a fost pusă în funcțiune a doua stație de pe inelul de stocare VEPP-4: a devenit posibilă studierea detonării sarcinilor cu o masă de până la 200 g în noua cameră.Acum această stație este în curs de modernizare: este planificat să se studieze efectul impulsurilor puternice de plasmă laser asupra materialelor structurale. Cunoașterea acestor procese va fi solicitată în proiectarea viitoarelor reactoare termonucleare.

Alte stații de utilizator sunt, de asemenea, actualizate constant. Astfel, datorită instalării de noi lentile de focalizare, a fost posibilă îmbunătățirea rezoluției spațiale a analizei elementare de fluorescență cu raze X, care poate fi folosită pentru a determina nu numai compoziție chimică eșantion, dar și distribuția spațială a elementelor individuale. Și deși nu putem concura cu alte centre sincrotron în această direcție, am reușit totuși să obținem o serie de rezultate interesante. De exemplu, cercetătorii de la Institutul Limnologic Irkutsk din Filiala Siberiană a Academiei Ruse de Științe au descoperit un „răspuns” al compoziției elementare a sedimentelor de fund la schimbările climatice, cum ar fi ciclurile Milankovitch, care face posibilă utilizarea SI pentru studiază paleoclimatul. Lucrări similare sunt acum efectuate pe sedimentele de fund ale lacurilor Altai, în special, Lacul. Telețkoie.

O altă modalitate de a studia starea materiei în condiții extreme (la presiuni ultraînalte de câțiva gigapascali și temperaturi de până la o mie de grade) este metoda nicovalei cu diamant, în care o probă este prinsă între două puncte de diamant. În acest fel, este posibil să se realizeze presiuni ultraînalte într-un volum mic, simulând astfel comportamentul materiei la adâncimi mari, în manta sau chiar în centrul Pământului. „Proprietarul” acestei stații este Institutul de Chimie Novosibirsk corp solid Așa că a fugit.

Misterul părului aramiu

Despre autori

Polosmak Natalya Viktorovna

Trunova Valentina Alexandrovna- Candidat la Științe Chimice, Cercetător principal la Institutul de Chimie Anorganică. A. V. Nikolaev SB RAS (Novosibirsk).

Analiza elementară fluorescentă cu raze X a materialelor organice folosind radiația sincrotron, aplicată descoperirilor arheologice, face posibilă ridicarea vălului secretului asupra vieții popoarelor care au părăsit de mult arena istorică.

Aceste popoare includ vechii Pazyryks: morminte „înghețate” ale acestei culturi, datând de la sfârșitul secolului al IV-lea - începutul secolului al III-lea î.Hr. î.Hr e., au fost descoperite în anii 1990. pe Platoul Ukok al Republicii Altai (Polosmak, 1994, 2001; Molodin, 2001). În istoria arheologiei, astfel de înmormântări sunt o descoperire cu adevărat rară și prețioasă, deoarece în grosime gheata antica tot conținutul mormintelor este perfect conservat, inclusiv mumii umane și obiecte organice. Printre descoperirile izbitoare din movilele Pazyryk, trebuie remarcate în special părul și unghiile oamenilor îngropați, a căror compoziție elementară poate servi ca un fel de cronică „chimică” a vieții lor, precum inelele anuale ale unui copac.

Analiza părului vechilor Pazyryks din cimitirele Ak-Alakha 3 și Verkh-Kaldzhin 2 a arătat un conținut anormal de mare de cupru și raportul Cu/Zn pe fondul variabilității mari a sexului și vârstei (Polosmak și colab., Trunova, Zvereva). , 2010). Cea mai mică concentrație a acestui element a fost înregistrată la copii, cea mai mare - la bărbați. După cum știți, un exces de cupru în organism poate provoca probleme grave de sănătate precum diabetul, ateroscleroza, bolile hepatice, boala Alzheimer și alte tulburări neurodegenerative. Este posibil ca acest factor să fi contribuit la speranța de viață a Pazyryks, care se presupune că nu a depășit patruzeci de ani.

Dar de unde a venit acest exces de cupru? Pe baza datelor disponibile, s-a emis ipoteza că motivul acestui fenomen nu a fost în condițiile mediu inconjurator, dar în tradiția culturală a arderii cânepei din cădelnițele de bronz, ceea ce a fost confirmat de analiza cânepei dintr-o cădelniță găsită într-una dintre tumul marile Pazyryk. Prin inhalarea fumului de canabis, oamenii au devenit treptat otrăviți de fumul de cupru, iar concentrațiile mai mari de cupru în părul bărbaților indică o frecvență și o durată mai mare a fumatului de-a lungul vieții.

S-au obținut rezultate destul de diferite în analiza părului și a altor materiale organice din movilele Xiongnu din munții Noin-Ula din nordul Mongoliei. În aceste probe s-au găsit concentrații crescute ale unui număr de metale: cupru, fier, mangan. Spre deosebire de mormintele „înghețate” ale Pazyryks, toate obiectele din mormintele Xiongnu au fost pentru o lungă perioadă de timp în argila lichidă a lacului folosită la construcția movilei. Studiile cuprinzătoare folosind o serie de tehnici care utilizează radiația sincrotron au arătat că în acest caz, într-un mediu umed, a existat un transfer elemente chimice de la lucruri metalice la materiale organice din vecinătate (Trunova et al., 2014; 2015).

Printre cele mai recente dezvoltări ale noastre se numără stația „metrologică” „KOSMOS”, concepută pentru testarea echipamentelor prin satelit și „FLAME”, care este creată împreună cu Institutul de Cinetică Chimică și Combustie din Novosibirsk al Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe și este conceput pentru a studia reacții chimice atât de rapide precum arderea.

Cu toate acestea, locul INP în „lumea radiației sincrotron” nu se limitează la rolul unui simplu participant - într-o anumită măsură, este și constructorul său activ. INP a devenit practic monopolul mondial în crearea wiggler-urilor supraconductoare - magneți multipol care creează un câmp magnetic periodic care schimbă semnele, care sunt instalați în golurile drepte ale dispozitivelor de stocare a electronilor pentru a crește intensitatea radiației. În același timp, fizicienii și inginerii din Novosibirsk asigură întregul ciclu de producție al acestui lucru dispozitiv complex, de la dezvoltare și producție până la testare și asamblare la fața locului. Astăzi, peste 20 de motociclete din Novosibirsk operează în toată lumea, din Australia și Brazilia până în America. Institutul a dezvoltat, fabricat și furnizat dispozitive supraconductoare pentru aproape toate centrele lumii de radiație sincrotron, inclusiv Japonia. primavara-8, Italiană ELETTRA, canadian CLS, sincrotronii brazilian și australian și singura sursă specializată de radiație sincrotron din Rusia - Sincrotronul Kurchatov din Moscova.

Acum, grupul de institut care se ocupă cu wigglers se reorientează către producția de ondulatoare - dispozitive supraconductoare cu un numar mare poli și un câmp magnetic mic. Spre deosebire de wigglers, în aceste dispozitive, radiația de la poli individuali are loc într-un mod coerent, datorită căruia este posibil să se obțină radiații monocromatice cu o luminozitate spectrală semnificativ mai mare. Toate centrele moderne sunt interesate de astfel de dispozitive. De exemplu, un preacord munca în comunîn acest domeniu se încheie cu britanicii DLS.

Principala problemă a Centrului Siberian pentru Radiații Sincrotron și Teraherți a fost și rămâne lipsa unei surse SR specializate proprii, în timp ce în ultimii zece ani au fost propuse cel puțin cinci (!) Opțiuni diferite pentru crearea sa. Toate componentele necesare pentru aceasta, precum experiența, tehnologia și producția, sunt disponibile la INP. Lipsește doar finanțarea planificată.

Trebuie spus că cea mai recentă versiune a noii surse diferă de toate cele anterioare (și respinse) prin faptul că este cât se poate de economică. Proiectul prevede utilizarea unui tunel existent, unde se află acum VEPP-3. De asemenea, este planificată extinderea halei experimentale existente, unde vor fi amplasate noi posturi de utilizatori. Este planificată să se utilizeze un wiggler supraconductor și o pereche de magneți dipol supraconductor ca dispozitive de radiație: structura magnetică specială a inelului va combina compactitatea extremă cu posibilitatea de optimizare a luminozității fasciculului.

Astăzi, Centrul siberian pentru radiații cu sincrotron și teraherți are 12 stații de radiație sincrotron și 4 stații de radiație teraherți. Principalele scopuri și obiective ale centrului sunt cercetarea fundamentală și aplicată în fizică, chimie (inclusiv cataliză), biologie, medicină, ecologie, geologie, știința materialelor, precum și dezvoltarea de noi metode și tehnologii și crearea de surse de radiații specializate. și noi stații experimentale.

În concluzie, aș dori să remarc că în ultimele decenii, interesul pentru cercetare la intersecția științelor a crescut brusc în lume, iar în centrul nostru academic s-a format un fel de comunitate științifică multidisciplinară, care reunește cercetătorii din institutele din Novosibirsk Academgorodok și alții. centre științifice. Marele interes al acestor specialiști pentru cercetările efectuate cu utilizarea SR garantează un flux nesfârșit de materiale de cercetare, apărări, publicații și, bineînțeles, utilizarea cât mai eficientă a tuturor metodelor și facilităților disponibile. Novosibirsk ar trebui să fie, de asemenea, interesat de o nouă sursă SR. Universitate de stat: în Centrul nostru Sincrotron, studenții tuturor specialităților de științe naturale pot practica, așa cum se face în multe alte universități din lume.

INP merită de mult dreptul de a nu mai fi un „cizmar fără cizme”, iar Centrul Siberian pentru Radiații Sincrotron și Terahertz și-a câștigat propria sursă specializată SR, de care are nevoie urgentă. Și pentru aceasta, nu mai este nevoie decât de finanțare centralizată planificată și voință politică. În ciuda tuturor, rămânem optimiști și credem în viitor.

Cluburi sau mânere de sicriu?

Despre autori

Natalia Viktorovna Polosmak- Membru corespondent al Academiei Ruse de Științe, Doctor în Științe Istorice, Cercetător șef al Institutului de Arheologie și Etnografie al Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe (Novosibirsk). Laureat al Premiului de Stat al Federației Ruse (2004).

Konstantin Eduardovici Cooper- Candidat la Științe Fizice și Matematice, Cercetător principal la Institutul de Fizică Nucleară. G. I. Budker de la Filiala Siberiană a Academiei Ruse de Științe și Centrul Siberian pentru Sincrotron și Radiație Terahertz (Novosibirsk).

Puterea mare de penetrare a radiațiilor X a oferit cercetătorilor un instrument unic pentru studierea obiectelor fără a le distruge, astfel încât astfel de studii sunt adesea singura modalitate de a studia structura internă a obiectelor în domenii ale științei precum medicina, geologia, arheologia etc. În special, microscopia cu raze X a făcut posibilă obținerea de date privind structura obiectului cu rezoluție micron și submicron într-o fracțiune de secundă. la Institutul de Fizică Nucleară. G. I. Budker SB RAS (Novosibirsk) a început să studieze microscopia cu raze X folosind radiația sincrotron încă din anii 1970, cu toate acestea, configurația experimentală „microscopie și microtomografie cu contrast de fază cu raze X” bazată pe detectoare digitale moderne și elemente optice cu raze X, care a făcut posibilă creșterea semnificativă a rezoluției spațiale a fost în funcțiune din 2005.

Folosind un set de tehnici, inclusiv microscopia cu raze X și cu scanare electronică, precum și analiza de difracție cu raze X, a fost investigat unul dintre cele mai misterioase obiecte găsite în movilele Xiongnu - tije masive de cupru cu capete rotunjite.

Primul explorator al movilelor Noin-Ula, P.K. Kozlov, nu a lăsat nicio presupunere despre aceste obiecte metalice în rapoartele și înregistrările sale din jurnal. Mai târziu, A. N. Bernshtam, și după el S. I. Rudenko, le-au considerat a fi crose de bronz „chi” - o armă pentru luptă apropiată, a cărei descriere este disponibilă în sursele scrise chineze (Rudenko, 1962). Recent, pe baza rezultatelor săpăturilor movilei Xiongnu din Tsaram Pad din Transbaikalia, s-a sugerat că aceste tije erau „balustrade” care erau atașate de pereții sicriului cu ajutorul „cordoanelor de piele, pentru care inele de fier. cu o țeapă au fost bătuți în sicriu” (Minyaev, 2010, p. 18). Până în prezent, mulți arheologi au fost de acord cu această opinie, deși unii cercetători continuă să considere aceste artefacte ca fiind arme ale Xiongnu: „cu un astfel de buzdugan a fost posibil să se dea o lovitură asurzitoare inamicului în cap” (Nikonorov, Khudyakov , 2004, p. 64).

Săpăturile movilelor Noin-Ula, efectuate în anul trecut, nu a clarificat, ci doar a complicat situația. Deci, în 2012, o tijă de cupru similară a fost găsită pe podeaua camerei funerare interioare sub un strat de textile de mătase. Și deși sicriul a fost complet păstrat în această movilă, nu au fost găsite urme de găuri sau inele de fier pe pereții ei (Polosmak et al., 2013). Cu toate acestea, urme de fixare a balustradelor pe pereții sicriului nu au fost găsite în cazul altor descoperiri cunoscute de sicrie în mormintele Xiongnu, deși astfel de tije metalice se găsesc în aproape toate înmormântările de elită ale nobilimii Xiongnu.

Recunoașterea acestor obiecte ca balustrade pentru sicriu nu explică în niciun fel faptul că pentru fabricarea lor a fost folosită o tehnologie foarte complexă: un miez de fier este ascuns în ele sub învelișul exterior de bronz, care a fost remarcat și de S. I. Rudenko. În plus, în două înmormântări au fost găsite doar tije subțiri de fier fără înveliș de cupru (Polosmak și Bogdanov, 2009; Treasures.., 2011). Autorii ultimei descoperiri au sugerat că „această tijă de fier poate fi legată de tije de fier acoperite cu bronz găsite în alte înmormântări de elită Xiongnu, dar scopul acestor tije este încă în discuție” (Miller et al., 2009, p. 309). ).

Studiul descoperirilor unice folosind radiația sincrotron a arătat că cuprul care acoperă artefactul a fost aplicat prin turnare din topitură într-o matriță de turnare, așa cum demonstrează suprapunerile din interiorul produsului. Structura poroasă a carcasei indică solidificarea instantanee reală a cuprului în corpul creuzetului de turnare. În acest caz, bara interioară de oțel a fost prinsă la capete în matrița de turnare între două plăci de fontă.

Pe baza analizei de difracție cu raze X în bara interioară de oțel, a fost determinat raportul dintre fazele de cementită (carbură de fier Fe 3 C) și ferită (α-Fe) și, în consecință, conținutul de carbon din bara de oțel, care a variat în interval de 0,1–0,4%. Orientarea absolut diferită a cristalitelor de ferită și cementită a mărturisit absența stres mecanicîn probă.

În compoziția miezului de oțel s-au găsit impurități mici (mai puțin de 0,1%) de mangan, nichel și cupru și impurități mici de argint (0,5%), plumb (0,3%), antimoniu și staniu (nu mai mult de 0,1%). . Prezența acestor impurități este destul de caracteristică minereurilor de fier și cupru.

Învelișul de cupru conținea microincluzii de sulfură de cupru (Cu 2 S) de formă topită rotunjită, cu dimensiuni caracteristice de 20–30 µm. Sulfura de cupru se găsește în mod natural sub formă de mineral calcocit, care se pare că era folosit ca minereu. Pentru a obține cupru din minereu de calcocit zdrobit, este necesară suflarea oxigenului la temperaturi de 1200–1300 °C, ceea ce presupune prezența unei producții metalurgice complexe, inclusiv a unui cuptor special echipat și dotat cu burduf (Hauptmann, 2000).

Microincluziunile găsite în mostrele de oțel (wüstite, fayalite și cuarț amorf) sunt reziduuri de zgură și sunt tipice pentru producția de fier flash (Buchwald și colab., 2000). Fayalita este prezentă în incluziunile sub formă de fază recristalizată din topitură cu impurități de oxizi ai metalelor alcaline și alcalino-pământoase și, deoarece temperatura sa de topire se află în intervalul 1100-1200 °C, acest fapt indică faptul că a fost obținut fier. în aceleaşi condiţii de temperatură ca cuprul.

Toate incluziunile au o orientare caracteristică de-a lungul baghetei, care se datorează în mod evident direcției de forjare a tijei de oțel. De obicei, la fabricarea fierului forjat, în principal partea exterioară este cementată, astfel încât conținutul de carbon din oțel are o direcție caracteristică și scade în centrul obiectului fabricat. Cu toate acestea, acest lucru nu se observă în cazul nostru, așa că putem presupune că tija a fost reforjată dintr-un alt obiect de oțel.

Din păcate, chiar și informații atât de detaliate despre aceste artefacte misterioase nu ne-au permis să le stabilim cu exactitate scopul. Este interesant că astfel de obiecte bimetalice nu au fost găsite în niciuna dintre înmormântările din perioada Han din China și nici în sursele scrise chinezești nu există mențiuni despre „mânere de sicriu”. Prin urmare, este posibil ca acestea să aparțină exclusiv culturii Xiongnu și să fi fost făcute numai pentru ei. Pe de altă parte, scopul acestor articole ar putea fi destul de utilitar: sicriele au fost coborâte în puțurile adânci ale mormintelor de elită cu ajutorul unui troliu și, poate, aceste obiecte făceau parte dintr-o structură făcută din funii și curele care sprijinit sicriul în poziția dorită. După ce sicriul a fost plasat în camera de înmormântare, tijele, împreună cu curelele, au rămas lângă el. În multe culturi, toate obiectele folosite în ritul funerar rămân în mormânt - întoarcerea lor în lumea celor vii este considerată periculoasă.

Literatură
1. Kozlov P.K. Jurnalele expediției mongolo-tibetane 1923–1924 // Moștenirea științifică. T. 30. Sankt Petersburg: Nauka, 2003. 1037 p.
2. Rudenko S.I. Cultura hunilor și movilele Noin-Ula. M.; L.: Editura Academiei de Științe a URSS, 1962. 203 p.
3. Polosmak N.V., Bogdanov E.S., Tseveendorzh D. Al XX-lea kurgan Noin-Ula. Novosibirsk: Infolio, 2011. 184 p.
4. Polosmak N.V., Bogdanov E.S. Studiul movilei Noin-Ula nr. 31 (Nordul Mongoliei) // Probleme de arheologie, etnografie, antropologie a Siberiei și a teritoriilor adiacente. Materialele Sesiunii Anuale a Institutului de Arheologie și Etnografie SB RAS. Novosibirsk: Izd. IAET SO RAN, 2009. V. XV. C. 372–376.

Proprietățile de bază ale radiației sincrotron.

Radiația sincrotron (SR) este emisă de particulele încărcate (electroni, protoni, pozitroni) care se deplasează cu viteze relativiste de-a lungul traiectoriilor curbe. Generarea SR se datorează prezenței accelerației centripete în particule. Prevăzut la sfârșitul secolului trecut și descoperit în urmă cu aproape 50 de ani (1945), SR a fost considerat inițial ca o „obstacol” în funcționarea acceleratoarelor ciclice - sincrotroni. Abia în ultimii 10-15 ani, SI a atras atenția cercetătorilor datorită bogăției excepționale a proprietăților sale specifice și a posibilității de aplicare a acestora.

Structura depozitului de electroni.

PM - magneți rotativi; B - câmp magnetic; P este vectorul de polarizare al fotonilor emiși în planul orbitei electronilor; U - fantă a canalului de ieșire, care limitează lățimea orizontală a fasciculului SR.

SI are următoarele proprietăți unice:

SR - radiație cu colimație excepțional de mare. Fasciculul SR este emis de un electron de-a lungul unei tangente la traiectorie și are o divergență unghiulară y»g -1, unde g este factorul relativist (raportul dintre energia electronilor E din inelul de stocare și energia electronului de repaus E 0 = 0,511 MeV); pentru valorile tipice ale lui E»1GeV avem g»10 3 și y»1mpa¶.

SR are un spectru larg, continuu, ușor de reglat, acoperind aproape întreaga gamă și regiune de raze X radiații ultraviolete(0,1¼100nm). Pentru a descrie proprietățile spectrale ale SR, este introdus conceptul lungimii de undă critice l s. Aceasta este lungimea de undă care împarte spectrul de energie SR în două părți egale (energia totală a fotonilor emiși cu lungimi de undă mai mici de l s este egală cu energia totală a fotonilor cu lungimi de undă mai mari de l s).

SI are o intensitate foarte mare. Intensitatea SR din gama de raze X, care este cea mai importantă pentru cercetare și tehnologie, depășește intensitatea tuburilor de raze X cu mai mult de cinci ordine de mărime.

SR are o polarizare naturală: strict liniară pe axa fasciculului (vectorul câmpului electric se află în planul orbitei electronilor) și strict circulară pe periferia acestuia. Polarizarea SR joacă un rol important în multe metode de precizie pentru studierea materialelor și structurilor în microelectronică.

Proprietățile unice ale radiației sincrotron enumerate mai sus fac posibilă ridicarea microtehnologiei submicronice și a metodelor analitice pentru diagnosticarea structurilor funcționale submicronice la un nou nivel calitativ.

Contrastul în sistemele de expunere care utilizează radiația sincrotron.

Litografia cu raze X folosind radiația sincrotron este multifactorială proces tehnologic, în care parametrii multor componente ale sistemului litografic joacă un rol important: sursa de radiații, canalul de ieșire, masca de raze X și rezistența de raze X.

Principalul factor care determină capabilitățile potențiale ale unei anumite metode litografice în microtehnologia VLSI este rezoluția sau dimensiune minimă un element de mască cu raze X reproductibil în mod fiabil în rezis. În litografia cu raze X, rezoluția este determinată, pe de o parte, de natura ondulatorie a radiației X (distorsiuni de difracție) și, pe de altă parte, de natura nelocală a formării unei imagini latente reale. (generarea de foto- și Auger-electroni de către fotonii cu raze X și expunerea secundară a rezistenței de către acești electroni). În plus, rezoluția tehnologică reală depinde foarte mult de procesul de dezvoltare a imaginii latente rezultate.

Pentru a evalua eficiența sistemului de expunere litografică cu raze X într-o anumită regiune a spectrului, este necesar să se ia în considerare nu numai eficiența spectrală a rezistenței la raze X, ci și transparența razelor X, adică caracteristicile optice ale canalului de ieșire SR litografică. Prin urmare, în sistemele de expunere cu raze X (de exemplu, sistemele de expunere litografică cu raze X), unul dintre parametrii importanți este contrastul imaginii cu raze X rezultate (de exemplu, contrastul imaginii latente în raze X). a rezista).

Schema sistemului de expunere la raze X în fascicule SR.

1-fereastră de vid; 2-membrană a măștii cu raze X; 3-mască; 4-rezist; 5-placa de lucru.

Radiația de sincrotron

- unul din tipurile: radiatia el.-magnet. undele de particule încărcate (în spațiu în special electroni) care se deplasează cu viteze relativiste în magn. camp H. A fost observat pentru prima dată în acceleratoarele de electroni - sincrotroni. Magn. câmpul îndoaie traiectoria electronilor (vezi), iar accelerația rezultată este yavl. cauza de el.-mag. radiatii. Acest mecanism este adesea folosit pentru a explica radio, optic. si roentgen. radiații de diferite cosmice. surse.

O emisie similară de particule nerelativiste (vezi ) are loc în principal. frecvența giromagnetică și primele sale armonice (q și m sunt sarcina și masa în repaus a particulei).

Radiația particulelor relativiste încărcate, de ex. particulele care se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii prezintă o serie de diferențe semnificative față de radiația particulelor lente. Datorită efectului Doppler, frecvența luminii emise de o particulă care se mișcă rapid în direcția mișcării acesteia crește foarte mult, iar intensitatea radiației la armonici mari crește. Pentru particulele relativiste cu energie, radiația din regiunea armonicilor înalte are un spectru aproape continuu și este concentrată în direcția vitezei instantanee într-un con îngust cu unghi de deschidere.

Un electron relativist care se mișcă într-un magnetic câmpul descrie fie un cerc (dacă nu are o componentă de viteză de-a lungul câmpului), fie o spirală. Frecvența sa de rotație în mag. câmpul H este
. (1)

Conul îngust, în care este închisă radiația electronului, se rotește odată cu rotația vectorului vitezei instantanee a electronului (Fig.). Aceasta înseamnă că un observator care se află în planul orbitei electronului vede explozii de radiație în acele momente în timp în care viteza electronului este îndreptată spre el. Blițurile urmează la intervale, durata fiecărui bliț.

Deoarece frecvența de repetare a fulgerelor este suficient de mare, observatorul vede practic radiații continue. Max. puterea S.I un electron într-un singur interval de frecvență aprox. frecvențe [vezi (3)] ​​​​și într-un unghi solid unitar este egal cu:
, (2)
unde H este exprimat în Oe. La frecvențe mai mici, radiația scade cu , iar la frecvențe mai mari scade exponențial.

S.i. are caracteristici importante. Pentru un observator situat exact în planul orbitei electronului, radiația este polarizată liniar cu electricitatea. un vector situat în planul orbitei. La o anumită distanță unghiulară de acest plan, polarizarea este eliptică, cu semne diferite pe ambele părți ale planului.În plus, intensitatea radiației polarizate eliptic este neglijabilă. Când se face media radiației unui sistem de electroni, rămâne doar polarizarea liniară. Cu alte cuvinte, un sistem de electroni relativiști situati într-un câmp magnetic omogen. câmp, dă un S.i polarizat liniar. cu electrica vector perpendicular pe câmpul magnetic.

Dacă toți electronii ar avea aproximativ aceeași energie, atunci spectrul de emisie al acestui sistem ar avea un maxim la o frecvență
(Hz). (3)
In spatiu condiții, electronii relativiști au energii diferite. Cel mai adesea, distribuția energiei electronilor este aproximată printr-o funcție de putere, adică. numărul de electroni N în unități. volum cu energie de la E la:
, (4)
Unde Kși sunt constante.

Si. unitati volumul într-un unghi solid unitar și într-un interval de frecvență unitar (așa-numitul coeficient de radiație) este determinat de relația:
, (5)
unde este un coeficient numeric dependent de, aproape de 0,1-0,2 la . Gradul de polarizare liniară a acestei radiații este de . Valoarea numelui Si.

Dacă concentrația de electroni relativiști nu este prea mare, atunci intensitatea radiației este determinată de f-le, unde l- dimensiunea zonei de radiație. La o concentrație mare de electroni, este necesar să se țină cont de autoabsorbția S.i. Raportul coeficientului. radiație la coeff. absorbtie:
, (6)
unde este coeficientul numeric. variază de la 0,7 la 0,1 la .

emise de sarcini relativiste. particule într-un câmp magnetic omogen. camp. Radiația particulelor care se deplasează în electricitate alternativă. şi magn. câmpuri, numite radiații ondulatoare. S. i. datorită accelerației particulelor, care apare atunci când traiectoriile lor sunt îndoite în magn. camp. Radiație similară a particulelor non-relativiste care se deplasează de-a lungul traiectoriilor circulare sau spiralate, numită. radiații; se întâmplă pe giromag. frecvența și primele sale armonice. Pe măsură ce viteza particulelor crește, rolul armonicilor înalte crește; la apropierea limitei relativiste, radiatia in regiunea de max. de armonici intense înalte are un spectru aproape continuu și se concentrează în direcția vitezei instantanee a particulei într-un con îngust cu unghi de deschidere, unde t- masa de repaus, - energia particulelor.

Puterea totală de radiație a unei particule cu energie este unde e- particule, - componentă a magneticului. câmpul perpendicular pe viteza sa. pentru că puterea radiată depinde puternic de masa particulelor, S. și. max. esențial pentru particulele luminoase - electroni și pozitroni. Spectral (după frecvență h) distribuția puterii radiate este determinată de expresie

unde , a este cilindric. f-ţiune a celui de-al doilea fel de argument imaginar. Frecvența caracteristică, care reprezintă maximul din spectrul de emisie al particulei:

Radiația particulele în cazul general sunt polarizate eliptic, iar axa majoră a elipsei de polarizare este perpendiculară pe proiecția vizibilă a câmpului magnetic. câmpuri. Gradul de elipticitate și direcția de rotație a vectorului intensității câmpului electric. câmpurile depind de direcția de observație în raport cu conul descris de vectorul viteză al particulei în jurul direcției câmpului magnetic. câmpuri. Pentru direcțiile de observație situate pe acest con, radiația este liniară.

Pentru prima dată S. şi. prezis de A. Schott (A. Schott, 1912) şi observat în ciclic. acceleratoare de electroni (în sincrotron și, prin urmare, au primit numele S. și.). Pierderile de energie pe S. și. și, de asemenea, legate de S. și. efectele cuantice în mișcarea particulelor trebuie luate în considerare la proiectarea ciclică. acceleratori de electroni de înaltă energie. S. i. ciclic acceleratorii de electroni sunt utilizați pentru a produce fascicule intense de polarizatoare. el-magn. radiații în regiunea UV a spectrului și în regiunea razelor X „moale”. radiații; fascicule de raze X. S. i. aplicat in analiza structurală cu raze X, roentgen spectroscopie etc.

De mai mare interes este S. şi. spaţiu obiecte, în special fondul radio non-termic al Galaxiei, radio netermic și optic. radiații din surse discrete (supernove, pulsari, quasari, radiogalaxii). Natura sincrotron a acestor radiații este confirmată de particularitățile spectrului și polarizării lor. Electroni relativiști care fac parte din cosmic. razele, în spațiu. magn. câmpurile dau componenta sincrotron a spațiului. radiații în radio, optice și raze X. intervale. Măsurători ale intensității spectrale și ale polarizării spațiului. S. i. vă permit să obțineți informații despre concentrare și energie. spectrul de electroni relativiști, mărimea și direcția magneticului. câmpuri din părți îndepărtate ale universului.

Spectrul radiației sincrotron nu este atât de mare. Adică, poate fi împărțit doar în câteva tipuri. Dacă particula este non-relativista, atunci o astfel de radiație se numește emisie de ciclotron. Dacă, pe de altă parte, particulele sunt de natură relativiste, atunci radiațiile rezultate din interacțiunea lor sunt uneori numite ultrarelativiste. Radiația sincronă poate fi realizată fie artificial (în sincrotroni sau inele de stocare), fie în mod natural datorită mișcării rapide a electronilor prin câmpuri magnetice. Radiația astfel produsă are o polarizare caracteristică, iar frecvențele generate pot varia pe întregul spectru electromagnetic, care se mai numește și radiație continuu.

Deschidere

Acest fenomen a fost numit după generatorul de sincrotron General Electric construit în 1946. Existența sa a fost anunțată în mai 1947 de oamenii de știință Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir și Herb Pollock într-o scrisoare „Radiția de la electroni în sincrotron”. Dar aceasta a fost doar o descoperire teoretică, despre prima observație reală a acestui fenomen veți citi mai jos.

Surse

Atunci când particulele de înaltă energie sunt în accelerație, inclusiv electronii forțați să se miște de-a lungul unei căi curbe de un câmp magnetic, se produce radiație sincrotron. Aceasta este similară cu o antenă radio, dar cu diferența că teoretic viteza relativistă va modifica frecvența observată datorită efectului Doppler de către coeficientul Lorentz γ. Scurtarea lungimii relativiste lovește apoi frecvența observată de un alt factor γ, crescând astfel frecvența GHz a cavității rezonante care accelerează electronii în intervalul de raze X. Puterea radiată este determinată de formula relativistă Larmor, iar forța asupra electronului radiat este determinată de forța Abraham-Lorentz-Dirac.

Alte caracteristici

Modelul de radiație poate fi distorsionat de la un model de dipol izotrop la un con de radiație înalt direcționat. Radiația electron sincrotron este cea mai strălucitoare sursă artificială de raze X.

Geometria accelerației plane pare să facă radiația polarizată liniar atunci când este privită în planul orbitei și polarizată circular când este privită la un unghi ușor față de acel plan. Cu toate acestea, amplitudinea și frecvența sunt centrate pe ecliptica polară.

Sursa de radiație sincrotron este, de asemenea, o sursă de radiație electromagnetică (EM), care este un inel de stocare creat în scopuri științifice și tehnice. Această radiație este produsă nu numai de inelele de stocare, ci și de alți acceleratori de particule specializați, de obicei electroni care accelerează. Odată ce un fascicul de electroni de înaltă energie este generat, acesta este direcționat către componente auxiliare, cum ar fi magneții de îndoire și dispozitivele de inserție (undulatori sau wigglers). Ele furnizează câmpuri magnetice puternice perpendiculare pe fasciculele care sunt necesare pentru a converti electronii de înaltă energie în fotoni.

Aplicații ale radiației sincrotron

Principalele domenii de aplicare ale luminii sincrotronului sunt fizica materiei condensate, știința materialelor, biologia și medicina. Majoritatea experimentelor care folosesc lumina sincrotronului sunt legate de studiul structurii materiei de la nivelul sub-nanometru al structurii electronice la nivelul micrometrului și milimetrului, ceea ce este important pentru imagistica medicală. Un exemplu de aplicație industrială practică este producerea de microstructuri folosind procesul LIGA.

Radiația sincrotron este generată și de obiectele astronomice, de obicei acolo unde electronii relativiști spiralează (și, prin urmare, își schimbă viteza) prin câmpuri magnetice.

Poveste

Această radiație a fost descoperită pentru prima dată într-o rachetă trasă de Messier 87 în 1956 de către Geoffrey R. Burbidge, care a văzut-o ca o confirmare a predicției lui Iosif Shklovsky în 1953, dar a fost prezisă mai devreme de Hannes Alfven și Nikolai Herlofson în 1950. Erupțiile solare accelerează particulele pe care le emit într-o manieră propusă de R. Giovanolli în 1948 și descrisă critic de Piddington în 1952.

Spaţiu

A propus crearea radiației sincrotron prin împingerea jeturilor create de ionii accelerați gravitațional prin regiuni polare „tubulare” super-corectate ale câmpurilor magnetice. Astfel de jeturi, cele mai apropiate dintre ele din Messier 87, au fost identificate de telescopul Hubble ca semnale superluminale care se deplasează la o frecvență de 6 × s (de șase ori viteza luminii) din cadrul nostru planetar. Acest fenomen este cauzat de jeturile care călătoresc foarte aproape de viteza luminii și la un unghi foarte mic față de observator. Deoarece jeturile de mare viteză emit lumină în fiecare punct de-a lungul traseului lor, lumina pe care o emit nu se apropie de observator cu mult mai repede decât jetul în sine. Lumina emisă de-a lungul a sute de ani de călătorie ajunge astfel la observator într-o perioadă mult mai scurtă de timp (zece sau douăzeci de ani). Nu există nicio încălcare a teoriei speciale a relativității în acest fenomen.

Recent a fost detectată o eliberare în impulsuri de emisie de raze gamma dintr-o nebuloasă cu o luminozitate de până la ≥25 GeV, probabil din cauza emisiei de sincrotron de către electroni prinși într-un câmp magnetic puternic în jurul pulsarului. O clasă de surse astronomice în care emisia de sincrotron este importantă sunt nebuloasele de vânt pulsar, sau plerionii, dintre care Nebuloasa Crab și pulsarul său asociat sunt arhetipale. Polarizarea în Nebuloasa Crab la energii cuprinse între 0,1 și 1,0 MeV este o radiație tipică de sincrotron.

Pe scurt despre calcul și coliziune

În ecuațiile pe această temă, se scriu adesea termeni sau valori speciali, simbolizând particulele care alcătuiesc așa-numitul câmp de viteză. Acești termeni reprezintă efectul câmpului static al particulei, care este o funcție a componentei de viteză zero sau constantă a mișcării sale. Dimpotrivă, al doilea termen cade ca reciproca primei puteri a distanței de la sursă, iar unii termeni se numesc câmp de accelerație sau câmp de radiație deoarece sunt componente ale câmpului datorită accelerației sarcinii (modificare în viteză).

Astfel, puterea radiată este scalată ca o energie a celei de-a patra puteri. Această radiație limitează energia ciocnitorului circular electron-pozitron. De obicei, ciocnitoarele de protoni sunt limitate de câmpul magnetic maxim. Prin urmare, de exemplu, Large Hadron Collider are un centru de energie de masă de 70 de ori mai mare decât orice alt accelerator de particule, chiar dacă masa unui proton este de 2000 de ori mai mare decât masa unui electron.

Terminologie

Diverse domenii ale științei au adesea căi diferite definiții ale termenilor. Din păcate, în domeniul razelor X, mai mulți termeni înseamnă același lucru cu „radiație”. Unii autori folosesc termenul „luminozitate”, care a fost folosit cândva pentru a se referi la luminozitatea fotometrică sau a fost folosit incorect pentru a se referi la radiația radiometrică. Intensitatea înseamnă densitatea puterii pe unitatea de suprafață, dar pentru sursele de raze X înseamnă de obicei strălucire.

Mecanismul de origine

Radiația sincrotron poate apărea în acceleratoare fie ca o eroare neprevăzută, care provoacă pierderi de energie nedorite în contextul fizicii particulelor, fie ca o sursă de radiație proiectată în mod deliberat pentru numeroase aplicații de laborator. Electronii sunt accelerați până la viteze mariîn mai multe etape pentru a ajunge la energia finală, care este de obicei în intervalul gigaelectronvolt. Electronii sunt forțați să se miște pe o cale închisă de câmpuri magnetice puternice. Este similar cu o antenă radio, dar cu diferența că viteza relativistă modifică frecvența observată datorită efectului Doppler. Contracția relativistă a lui Lorentz afectează frecvența gigahertz, multiplicând-o astfel într-o cavitate rezonantă care accelerează electronii în intervalul de raze X. Un alt efect dramatic al relativității este că modelul de radiație este distorsionat de la modelul dipol izotrop așteptat de la teoria non-relatistă la un con de radiație extrem de direcționat. Aceasta face difracția radiației sincrotron cel mai bun mod crearea de raze X. Geometria de accelerație plată face ca radiația să se polarizeze liniar atunci când este privită în planul orbitei și produce polarizare circulară când este privită la un unghi ușor față de acel plan.

Utilizare în diverse domenii

Primele aparate

La început, electromagneții de îndoire în acceleratoare au fost folosiți pentru a genera această radiație, dar alte dispozitive specializate, dispozitive de inserție, au fost uneori folosite pentru a crea un efect de iluminare mai puternic. Tehnicile de difracție a radiației sincrotron (a treia generație) se bazează în mod obișnuit pe dispozitive sursă în care secțiunile drepte ale inelului de stocare conțin structuri magnetice periodice (conținând mai mulți magneți sub formă de poli N și S alternanți) care determină mișcarea electronilor într-o formă sinusoidală sau elicoidală. cale. Astfel, în loc de o singură îndoire, multe zeci sau sute de „vârtejuri” în poziții precis calculate adaugă sau înmulțesc intensitatea totală a fasciculului. Aceste dispozitive se numesc wigglers sau ondulatoare. Principala diferență dintre un ondulator și un wiggler este intensitatea câmpului lor magnetic și amplitudinea abaterii de la calea directă a electronilor. Toate aceste dispozitive și mecanisme sunt acum stocate la Centrul pentru Radiații Sincrotron (SUA).

extracţie

Acumulatorul are găuri care permit particulelor să părăsească fundalul de radiație și să urmeze linia fasciculului până la camera de vid a experimentatorului. Un număr mare de astfel de fascicule pot proveni de la dispozitive moderne de radiație sincrotron de a treia generație.

Electronii pot fi extrași din acceleratorul însuși și stocați într-un depozit magnetic auxiliar UHV, de unde pot fi extrași (și de unde pot fi reproduși) de un număr mare de ori. Magneții din inel trebuie, de asemenea, să recomprima în mod repetat fasciculul împotriva „forțelor Coulomb” (sau, mai simplu, sarcinilor spațiale) care tind să distrugă mănunchiurile de electroni. Schimbarea direcției este o formă de accelerație, deoarece electronii emit radiații la energii mari și viteze mari de accelerație într-un accelerator de particule. De regulă, luminozitatea radiației sincrotron depinde și de aceeași viteză.