Синхротронное излучение
Синхротронное излучение (также известное как магнитотормозное излучение ) — это электромагнитное излучение , испускаемое, когда релятивистские заряженные частицы подвергаются ускорению, перпендикулярному их скорости ( a ⊥ v ). Он создается искусственно в некоторых типах ускорителей частиц или естественным путем с помощью быстрых электронов, движущихся в магнитных полях. Излучение, создаваемое таким способом, имеет характерную поляризацию , а генерируемые частоты могут охватывать большую часть электромагнитного спектра . [1]
Синхротронное излучение похоже на тормозное излучение , которое испускается заряженной частицей, когда ускорение параллельно направлению движения. Общий термин для излучения, испускаемого частицами в магнитном поле, — гиромагнитное излучение , для которого синхротронное излучение является ультрарелятивистским частным случаем. Излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися нерелятивистски в магнитном поле, называется циклотронным излучением . [2] Для частиц в умеренно релятивистском диапазоне (≈85% скорости света) излучение называется гиросинхротронным излучением . [3]
В астрофизике синхротронное излучение возникает, например, из-за ультрарелятивистского движения заряженной частицы вокруг черной дыры . [4] Когда источник движется по круговой геодезической вокруг черной дыры, синхротронное излучение возникает на орбитах, близких к фотосфере , где движение происходит в ультрарелятивистском режиме.
История
[ редактировать ]Синхротронное излучение впервые наблюдалось техником Флойдом Хабером 24 апреля 1947 года на электронном синхротроне на 70 МэВ исследовательской лаборатории General Electric в Скенектади, Нью-Йорк . [5] Хотя это был не первый построенный синхротрон , он был первым с прозрачной вакуумной трубкой , позволяющей непосредственно наблюдать излучение. [6]
Как рассказал Герберт Поллок: [7]
24 апреля мы с Ленгмюром управляли машиной и, как обычно, пытались довести электронную пушку и связанный с ней импульсный преобразователь до предела. Произошло периодическое искрение, и мы попросили техника наблюдать за ним через зеркало вокруг защитной бетонной стены. Он немедленно подал сигнал выключить синхротрон, поскольку «увидел дугу в трубке». Вакуум по-прежнему был превосходным, поэтому мы с Ленгмюром подошли к концу стены и стали наблюдать. Сначала мы думали, что это может быть связано с излучением Черенкова , но вскоре стало ясно, что мы видим Иваненко и Померанчука . излучение [8]
Описание
[ редактировать ]Прямым следствием уравнений Максвелла является то, что ускоренные заряженные частицы всегда излучают электромагнитное излучение. Синхротронное излучение — это особый случай, когда заряженные частицы, движущиеся с релятивистской скоростью, испытывают ускорение, перпендикулярное направлению их движения, обычно в магнитном поле. В таком поле сила, действующая на поле, всегда перпендикулярна как направлению движения, так и направлению поля, как показывает закон силы Лоренца .
Мощность, переносимая излучением, находится (в единицах СИ ) по релятивистской формуле Лармора : [9] [10]
где
- диэлектрическая проницаемость вакуума ,
- - заряд частицы,
- - величина ускорения,
- это скорость света,
- – фактор Лоренца ,
- ,
- – радиус кривизны траектории частицы.
Сила, действующая на излучающий электрон, определяется силой Абрахама-Лоренца-Дирака .
Когда излучение испускается частицей, движущейся в плоскости, оно линейно поляризовано при наблюдении в этой плоскости и циркулярно поляризовано при наблюдении под небольшим углом. Однако, учитывая квантовую механику, это излучение испускается в виде дискретных пакетов фотонов и оказывает в ускорителях значительные эффекты, называемые квантовым возбуждением . Для данного ускорения средняя энергия испускаемых фотонов пропорциональна и уровень выбросов .
От ускорителей
[ редактировать ]Круглые ускорители всегда будут производить гиромагнитное излучение, поскольку частицы отклоняются в магнитном поле. Однако количество и свойства излучения сильно зависят от характера происходящего ускорения. Например, из-за разницы в массе коэффициент в формуле излучаемой мощности означает, что электроны излучают энергию примерно в 10 13 раз больше скорости протонов. [11]
Потери энергии из-за синхротронного излучения в круговых ускорителях изначально считались неприятностью, поскольку для компенсации потерь в пучок необходимо подавать дополнительную энергию. Однако, начиная с 1980-х годов, круговые ускорители электронов, известные как источники света, для целенаправленного производства интенсивных пучков синхротронного излучения для исследований. были созданы [12]
В астрономии
[ редактировать ]Синхротронное излучение также генерируется астрономическими объектами, обычно там, где релятивистские электроны вращаются по спирали (и, следовательно, меняют скорость) в магнитных полях.Двумя его характеристиками являются степенные энергетические спектры и поляризация. [13] Он считается одним из самых мощных инструментов в изучении внесолнечных магнитных полей везде, где присутствуют релятивистские заряженные частицы. Большинство известных космических радиоисточников излучают синхротронное излучение. Его часто используют для оценки силы больших космических магнитных полей, а также для анализа содержимого межзвездной и межгалактической среды. [14]
История обнаружения
[ редактировать ]Этот тип излучения был впервые обнаружен в струе, испускаемой Мессье-87, в 1956 году Джеффри Р. Бербиджем . [15] которые увидели в этом подтверждение предсказания Иосифа С. Шкловского в 1953 году. Однако ранее (1950 год) оно было предсказано Ханнесом Альфвеном и Николаем Херлофсоном. [16] Солнечные вспышки ускоряют частицы, излучающие таким образом, как предположил Р. Джованелли в 1948 году и описал Дж. Х. Пиддингтон в 1952 году. [17]
Т.К. Бреус отметил, что приоритетные вопросы истории астрофизического синхротронного излучения сложны, написав:
В частности, русский физик В.Л. Гинзбург разорвал отношения с И.С. Шкловским и не общался с ним 18 лет. На Западе Томас Голд и сэр Фред Хойл спорили с Х. Альвеном и Н. Херлофсоном, а К. О. Кипенхойер и Г. Хатчинсон ими игнорировались. [ нужны разъяснения ] [18]
Из сверхмассивных черных дыр
[ редактировать ]Было высказано предположение, что сверхмассивные черные дыры производят синхротронное излучение в виде «струй», генерируемых гравитационным ускорением ионов в их полярных магнитных полях. Ближайший такой наблюдаемый джет находится из ядра галактики Мессье 87 . Эта струя интересна тем, что создает иллюзию сверхсветового движения, наблюдаемого с Земли. Это явление вызвано тем, что струи движутся со скоростью, близкой к скорости света , и под очень небольшим углом к наблюдателю. Поскольку в каждой точке своего пути высокоскоростные струи излучают свет, излучаемый ими свет не приближается к наблюдателю гораздо быстрее, чем сама струя. Таким образом, свет, излучаемый за сотни лет путешествия, достигает наблюдателя за гораздо меньший период времени, создавая иллюзию более быстрого путешествия, чем свет, несмотря на то, что на самом деле никакого нарушения специальной теории относительности нет . [19]
Пульсарные ветровые туманности
[ редактировать ]Класс астрономических источников, для которых важно синхротронное излучение, — это пульсарные ветровые туманности , также известные как плерионы , архетипическими из которых являются Крабовидная туманность и связанный с ней пульсар .Недавно наблюдалось импульсное гамма-излучение Краба с энергией до ≥25 ГэВ. [20] вероятно, из-за синхротронного излучения электронов, захваченных в сильном магнитном поле вокруг пульсара.Поляризация в Крабовидной туманности [21] при энергиях от 0,1 до 1,0 МэВ иллюстрирует это типичное свойство синхротронного излучения.
Межзвездные и межгалактические среды
[ редактировать ]Большая часть того, что известно о магнитной среде межзвездной среды и межгалактической среды, получена из наблюдений синхротронного излучения. Электроны космических лучей, движущиеся через среду, взаимодействуют с релятивистской плазмой и испускают синхротронное излучение, которое регистрируется на Земле. Свойства излучения позволяют астрономам делать выводы о напряженности и ориентации магнитного поля в этих регионах. Однако точные расчеты напряженности поля невозможны без знания плотности релятивистских электронов. [14]
В сверхновых
[ редактировать ]Когда звезда взрывается как сверхновая, самые быстрые выбросы движутся с полурелятивистской скоростью, примерно 10% скорости света . [22] Эта взрывная волна вращает электроны в окружающих магнитных полях и генерирует синхротронное излучение, раскрывая радиус взрывной волны в месте излучения. [23] Синхротронное излучение также может выявить силу магнитного поля на фронте ударной волны, а также околозвездную плотность, с которой она сталкивается, но сильно зависит от выбора энергетического разделения между магнитным полем, кинетической энергией протонов и кинетической энергией электронов. . Радиосинхротронное излучение позволило астрономам пролить свет на потерю массы и звездные ветры, возникающие непосредственно перед смертью звезды. [24] [25]
См. также
[ редактировать ]- Тормозное излучение - Электромагнитное излучение вследствие торможения заряженных частиц.
- Оборот циклотрона
- Циклотронное излучение
- Лазер на свободных электронах - лазер, использующий электронный луч в вакууме в качестве усиливающей среды.
- Реакция излучения – сила отдачи при ускорении заряженных частиц
- Релятивистское излучение - изменение светимости движущегося объекта из-за специальной теории относительности.
- Sokolov–Ternov effect – Physical phenomenon of spin-polarization
- Функция синхротрона
Примечания
[ редактировать ]- ^ «Что такое синхротронное излучение?» . НИСТ . 2 марта 2010 г.
- ^ Монреаль, Бенджамин (январь 2016 г.). «Одноэлектронное циклотронное излучение» . Физика сегодня . 69 (1): 70. Бибкод : 2016ФТ....69а..70М . дои : 10.1063/pt.3.3060 .
- ^ Чен, Бин. «Радиационные процессы от энергичных частиц II: Гиромагнитное излучение» (PDF) . Технологический институт Нью-Джерси . Проверено 10 декабря 2021 г.
- ^ Бриту, Жуан П.Б.; Бернар, Рафаэль П.; Криспино, Луис CB (11 июня 2020 г.). «Синхротронное геодезическое излучение в пространстве-времени Шварцшильда – де Ситтера». Физический обзор D . 101 (12): 124019. arXiv : 2006.08887 . Бибкод : 2020ФРвД.101л4019Б . дои : 10.1103/PhysRevD.101.124019 . ISSN 2470-0010 . S2CID 219708236 .
- ^ Элдер, Франция; Гуревич, AM; Ленгмюр, Р.В.; Поллок, ХК (1 июня 1947 г.). «Излучение электронов в синхротроне». Физический обзор . 71 (11). Американское физическое общество : 829–830. Бибкод : 1947PhRv...71..829E . дои : 10.1103/physrev.71.829.5 . ISSN 0031-899X .
- ^ Митчелл, Эдвард; Кун, Питер; Гарман, Элспет (май 1999 г.). «Демистификация синхротронного путешествия: руководство для начинающих пользователей» . Структура . 7 (5): Р111–Р121. дои : 10.1016/s0969-2126(99)80063-x . ПМИД 10378266 .
- ^ Поллок, Герберт К. (март 1983 г.). «Открытие синхротронного излучения» . Американский журнал физики . 51 (3): 278–280. Бибкод : 1983AmJPh..51..278P . дои : 10.1119/1.13289 .
- ^ Иваненко Д.; Померанчук И. (1 июня 1944 г.). «О максимальной энергии, достижимой в бетатроне». Физический обзор . 65 (11–12). Американское физическое общество: 343. Бибкод : 1944PhRv...65..343I . дои : 10.1103/physrev.65.343 . ISSN 0031-899X .
- ^ Уилсон, EJN (2001). Введение в ускорители частиц . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр. 221–223. ISBN 0-19-850829-8 .
- ^ Фитцпатрик, Ричард. Классический электромагнетизм (PDF) . п. 299.
- ^ Конте, Марио; Маккей, Уильям (2008). Введение в физику ускорителей частиц (2-е изд.). Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. п. 166. ИСБН 978-981-277-960-1 .
- ^ «История: рентгеновских лучей и синхротронов» . Lightsources.org . 21 сентября 2017 года . Проверено 13 декабря 2021 г.
- ^ Владимир А. Бордовицын, « Синхротронное излучение в астрофизике » (1999) Теория синхротронного излучения и ее развитие , ISBN 981-02-3156-3
- ^ Перейти обратно: а б Кляйн, Ульрих (2014). Галактические и межгалактические магнитные поля . Чам, Швейцария и Нью-Йорк: Springer. ISBN 978-3-319-08942-3 . OCLC 894893367 .
- ^ Бербидж, Греция (1956). «О синхротронном излучении Мессье-87» . Астрофизический журнал . 124 . Издательство IOP: 416. Бибкод : 1956ApJ...124..416B . дои : 10.1086/146237 . ISSN 0004-637X .
- ^ Альфвен, Х.; Херлофсон, Н. (1 июня 1950 г.). «Космическое излучение и радиозвезды». Физический обзор . 78 (5). АПС: 616. Бибкод : 1950ФРв...78..616А . дои : 10.1103/physrev.78.616 . ISSN 0031-899X .
- ^ Пиддингтон, Дж. Х. (1953). «Тепловые теории высокоинтенсивных составляющих солнечного радиочастотного излучения». Труды Физического общества. Раздел Б. 66 (2). Издательство ИОП: 97–104. Бибкод : 1953ППСБ...66...97П . дои : 10.1088/0370-1301/66/2/305 . ISSN 0370-1301 .
- ^ Breus, T. K., " Istoriya prioritetov sinkhrotronnoj kontseptsii v astronomii %t (Historical problems of the priority questions of the synchrotron concept in astrophysics)" (2001) in Istoriko-Astronomicheskie Issledovaniya , Vyp. 26, pp. 88–97, 262 (2001)
- ^ Чейз, Скотт И. «Кажущаяся сверхсветовая скорость галактик» . Проверено 22 августа 2012 г.
- ^ Алиу, Э.; Андерхуб, Х.; Антонелли, Луизиана; Анторанц, П.; Бэкес, М.; и др. (21 ноября 2008 г.). «Наблюдение импульсных γ-лучей с энергией выше 25 ГэВ от Крабового пульсара с помощью MAGIC». Наука . 322 (5905): 1221–1224. arXiv : 0809.2998 . Бибкод : 2008Sci...322.1221A . дои : 10.1126/science.1164718 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18927358 . S2CID 5387958 .
- ^ Дин, Эй Джей; Кларк, диджей; Стивен, Дж.Б.; Макбрайд, Вирджиния; Бассани, Л.; и др. (29 августа 2008 г.). «Поляризованное гамма-излучение краба». Наука . 321 (5893). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1183–1185. Бибкод : 2008Sci...321.1183D . дои : 10.1126/science.1149056 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18755970 . S2CID 206509342 .
- ^ Содерберг, А .; Шевалье, РА; Кулкарни, СР; Фрайл, Д.А. (ноябрь 2006 г.). «Радио- и рентгеновская светящаяся сверхновая SN 2003bg и изменения околозвездной плотности вокруг радиосверхновых» . Астрофизический журнал . 651 (2): 1005–1018. arXiv : astro-ph/0512413 . Бибкод : 2006ApJ...651.1005S . дои : 10.1086/507571 .
- ^ Шевалье, РА (май 1998 г.). «Синхротронное самопоглощение в радиосверхновых» . Астрофизический журнал . 499 (2): 810–819. Бибкод : 1998ApJ...499..810C . дои : 10.1086/305676 .
- ^ Маргутти, Рафаэлла; и др. (февраль 2017 г.). «Выброс массивной богатой водородом оболочки, приуроченный к коллапсу обнаженной сверхновой 2014C» . Астрофизический журнал . 835 (2): 140. arXiv : 1601.06806 . Бибкод : 2017ApJ...835..140M . дои : 10.3847/1538-4357/835/2/140 . hdl : 10150/624387 . ПМЦ 5495200 . ПМИД 28684881 .
- ^ ДеМарчи, Линдси; и др. (октябрь 2022 г.). «Радиоанализ SN2004C выявил необычный профиль плотности CSM как предвестник коллапса ядра» . Астрофизический журнал . 938 (1): 84. arXiv : 2203.07388 . Бибкод : 2022ApJ...938...84D . дои : 10.3847/1538-4357/ac8c26 .
Ссылки
[ редактировать ]- Брау, Чарльз А. Современные проблемы классической электродинамики. Издательство Оксфордского университета, 2004. ISBN 0-19-514665-4 .
- Джексон, Джон Дэвид. Классическая электродинамика. Джон Уайли и сыновья, 1999. ISBN 0-471-30932-X
- Ишфак Ахмад , доктор наук. «Измерения относительной силы осцилляторов с использованием синхротронного излучения» (PDF) . Материалы Национального симпозиума по передовым физикам, Национальный центр теоретической физики . Пакистанское физическое общество . Проверено 16 января 2012 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Cosmic Magnetobremsstrahlung (synchrotron Radiation) , by Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1965
- «Разработки в теории синхротронного излучения и его реабсорбции », Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И., ВРАА, 1969.
- Lightsources.org
- BioSync - ресурс структурной биологии для средств сбора данных о высоких энергиях.
- Буклет с рентгеновскими данными