Синхротронное излучение в рентгеновском диапазоне. Свойства синхротронного излучения. Использование в различных сферах

Синхротронное излучение

Анимация

Описание

Синхротронное (магнитотормозное) излучение - это излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в однородном магнитном поле. Синхротронное излучение обусловлено ускорением, связанным с искривлением траекторий частиц в магнитном поле. Аналогичное излучение нерелятивистских частиц, движущихся по круговым или спиральным траекториям, называется циклотронным излучением; оно происходит на основной гиромагнитной частоте и ее первых гармониках. С увеличением скорости частицы роль высоких гармоник возрастает; при приближении к релятивистскому пределу излучение в области наиболее интенсивных высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора:

где m и e - масса и энергия частицы.

Полная мощность излучения частицы с энергией равна:

где е - заряд частицы;

Напряженность составляющей магнитного поля, перпендикулярной скорости частицы.

Сильная зависимость излучаемой мощности от массы частицы делает синхротронное излучение существенным для легких частиц - электронов и позитронов. Спектральное (по частоте n ) распределение излучаемой мощности определяется выражением:

,

где ;

К 5/3 (h ) - цилиндрическая функция второго рода мнимого аргумента.

График функции , т.е. обезразмеренного спектрального распределения, представлен на рис. 1.

Обезразмеренное спектральное распределение синхротронного излучения

Рис. 1

x - безразмерная частота, нормированная на синхротронную.

Характерная частота, на которую приходится максимум в спектре излучения частицы, равна (в Гц):

Излучение отдельной частицы в общем случае эллиптически поляризовано с большой осью эллипса поляризации, расположенной перпендикулярно видимой проекции магнитного поля. Степень эллиптичности и направление вращения вектора напряженности электрического поля зависят от направления наблюдения по отношению к конусу, описываемому вектором скорости частицы вокруг направления магнитного поля. Для направлений наблюдения, лежащих на этом конусе, поляризация линейная.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -9 до -6);

Время существования (log tc от -9 до 6);

Время деградации (log td от -9 до -6);

Время оптимального проявления (log tk от -1 до 5).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Эффект реализуется в мощных ускорителях заряженных частиц - синхротронах и циклотронах.

Применение эффекта

Впервые синхротронное излучение наблюдалось в циклических ускорителях электронов (в синхротроне , поэтому и получило название "Синхротронный излучатель"). Потери энергии на синхротронном излучателе, а также связанные с синхротронным излучением квантовые эффекты в движении частиц необходимо учитывать при конструировании циклических ускорителей электронов высокой энергии. Синхротронный излучатель циклических ускорителей электронов используется для получения интенсивных пучков поляризованного электромагнитного излучения в ультрофиолетовой области спектра и в области "мягкого" рентгеновского излучения; пучки рентгеновского синхротронного излучения применяется, в частности, в рентгеновском структурном анализе.

Большой интерес представляет синхротронное излучение космических объектов, в частности, нетепловой радиофон Галактики, нетепловое радио- и оптическое излучение дискретных источников (сверхновых звезд, пульсаров, квазаров, радиогалактик ). Синхротронная природа этих излучений подтверждается особенностями их спектра и поляризации. Согласно современным представлениям, релятивистские электроны, входящие в состав космических лучей, дают синхротронное излучение в космических магнитных полях в радио-оптическом, а возможно, и в рентгеновском диапазонах. Измерение спектральной интенсивности и поляризации космического синхротронного излучения позволяют получить информацию о концентрации и энергетическом спектре релятивистских электронов, величине и направлении магнитных полей в удаленных частях Вселенной.

Пример. Синхротрон электронный.

Синхротрон электронный - кольцевой резонансный ускоритель электронов (позитронов) на энергии от нескольких МэВ до десятков ГэВ, в котором частота ускоряющего электрического поля не меняется, ведущее магнитное поле увеличивается во времени и равновесная орбита не меняется в процессе ускорительного цикла. Обычно электроны уже при инжекции являются ультрарелятивистскими; если же ускорение начинается с энергий Ј 5 - 7 МэВ, то в начале ускорительного цикла применяется бетатронный режим ускорения (см. Бетатрон).

Траектории ускоряемых в синхротроне электронов (позитронов) заполняют кольцевую область в вакуумной камере ускорителя. Обращаясь в ней, частицы многократно возвращаются к одним и тем же ускоряющим промежуткам, на которые подано переменное напряжение с частотой, в целое число раз q (q і 1) превосходящее частоту обращения частиц по так называемой равновесной орбите. Число q называют кратностью ускорения. При каждом прохождении через промежуток фаза идеальной (равновесной) частицы остается неизменной, но фаза реальных частиц немного изменяется, колеблясь около равновесного (синхронного) значения. При ускорении пучок частиц разбивается на сгустки - банчи, заполняющие некоторую область около синхронных значений фазы. Максимальное число сгустков на орбите равно q .

Траектория частиц в электронном синхротроне изгибается с помощью дипольных магнитов, создающих ведущее (поворотное) магнитное поле. Для фокусировки частиц в современных электронных синхротронах обычно используются поля с большим градиентом магнитной индукции (жесткая, или сильная фокусировка). Изгибающие и фокусирующие функции магнитного поля могут совмещаться (магниты с совмещенными функциями) или разделяться (магнитная система с разделенными функциями). В последнем случае поворотные магниты (изгибающие траекторию частиц) создают однородные поля. Магнитная индукция в поворотных магнитах (и ее производная в магнитных линзах) в течении ускорительного цикла непрерывно возрастает (чаще всего во много раз) в соответствии с ростом импульса ускоряемых частиц.

На криволинейных участках траектории пучки электронов (позитронов) испускают синхротронное излучение, мгновенная мощность которого в расчете на один электрон определяется формулой:

где е - заряд частиц;

g - ее лоренц - фактор (отношение полной энергии частицы к ее энергии покоя);

R(s) - радиус кривизны траектории на участке с координатой s.

Мощность, рассеиваемая за оборот, пропорциональна . При больших энергиях частиц потери на излучение могут составлять несколько МэВ на оборот. Чтобы уменьшить потери, приходится увеличивать размеры электронного синхротрона, что сопряжено с увеличением стоимости их строительства. Размеры реальных электронных синхротронов (иногда до км) определяются разумным компромиссом между эксплуатационными (гл. образом электроэнергии) и капитальными затратами. Потери на излучение приходится компенсировать, поэтому процесс ускорения электронов выгодно вести быстро, за сравнительно небольшое число оборотов (быстроциклические электронные синхротроны). Пиковая мощность ускоряющей высокочастотной системы электронного синхротрона на энергии в десятки ГэВ может достигать ~1 МВт.

Литература

1. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.

2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.

Ключевые слова

• синхронное излучение
• заряженные частицы
• релятивистский закон движения
• однородное магнитное поле
• излучение электромагнитных волн

Разделы естественных наук:

Синхротронное излучение

- один из видов : излучение эл.-магн. волн заряженными частицами (в космосе преимущественно электронами), движущимися с релятивистскими скоростями в магн. поле H . Впервые наблюдалось в ускорителях электронов - синхротронах. Магн. поле искривляет траекторию движения электронов (см. ), и возникающее при этом ускорение явл. причиной эл.-магн. излучения. Этот механизм часто использкется для объяснения радио-, оптич. и рентг. излучений самых различных космич. источников.

Аналогичное излучение нерелятивистских частиц (см. ) происходит на осн. гиромагнитной частоте и ее первых гармониках (q и m - заряд и масса покоя частицы).

Излучение заряженных релятивистских частиц, т.е. частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, обладает рядом существенных отличий от излучения медленных частиц. Из-за эффекта Доплера частота света, излучаемого быстродвижущейся частицей в направлении своего движения, сильно повышается, интенсивность излучения на высоких гармониках возрастает. У релятивистских частиц с энергией излучение в области высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора .

Релятивистский электрон, движущийся в магн. поле, описывает либо окружность (если у него нет компонента скорости вдоль поля), либо спираль. Частота вращения его в магн. поле H есть
. (1)

Узкий конус, в пределах к-рого заключено излучение электрона, поворачивается вместе с поворотом вектора мгновеной скорости электрона (рис.). Это означает, что наблюдатель, находящийся в плоскости орбиты электрона, видит вспышки излучения в те моменты времени, когда скорость электрона направлена на него. Вспышки следуют через промежутки времени , длительность каждой вспышки .

Поскольку частота повторения вспышек достаточно велика, наблюдатель практически видит непрерывное излучение. Макс. мощность С.и. одного электрона в единичном интервале частот ок. частоты [см. (3)] и в единичном телесном угле равна:
, (2)
где H выражено в Э. На меньших частотах излучение уменьшается как , а на больших уменьшается экспоненциально .

Важными особенностями обладает С.и. Для наблюдателя, находящегося точно в плоскости орбиты электрона, излучение поляризовано линейно с электрич. вектором, лежащим в плоскости орбиты. На нек-ром угловом расстоянии от этой плоскости поляризация эллиптическая, причем разных знаков по обе стороны от плоскостию Кроме того, интенсивность эллиптически поляризованного излучения незначительна. При усреднении излучения системы электронов остается лишь линейная поляризация. Иными словами, система релятивистских электронов, находящаяся в однородном магн. поле, дает линейно поляризованное С.и. с электрич. вектором, перпендкулярным магнитному полю.

Если бы у всех электронов была примерно одинаковая энергия, то спектр излучения этой системы имел бы максимум на частоте
(Гц) . (3)
В космич. условиях релятивистские электроны имеют различную энергию. Чаще всего распределение электронов по энергиям аппроксимируют степенной ф-цией, т.е. число электронов N в ед. объма с энергией от E до :
, (4)
где K и - постоянные.

С.и. ед. объма в единичном телесном угле и в единичном интервале частот (т.н. коэфф. излучения) определяется соотношением:
, (5)
где - зависящий от численный коэфф., близкий к 0,1-0,2 при . Степень линейной поляризации этого излучения равна . Величина наз. С.и.

Если концентрация релятивистских электронов не слишком велика, то интенсивность излучения определяется по ф-ле , где l - размер области излучения. При большой концентрации электронов необходимо учитывать и самопоглощение ими С.и. Отношение коэфф. излучения к коэфф. поглощения :
, (6)
где численный коэфф. меняется от 0,7 до 0,1 при .

Основные свойства синхротронного излучения.

Синхротронное излучение (СИ) испускается заряженными частицами (электронами, протонами, позитронами), движущимися с релятивистскими скоростями по искривленным траекториям. Генерация СИ обусловлена наличием у частицы центростремительного ускорения. Предсказанное в конце прошлого века и открытое почти 50 лет назад (1945г.) СИ рассматривалось вначале как “помеха” в работе циклических ускорителей - синхротронов. Только в последние 10¼15 лет СИ привлекло внимание исследователей исключительным богатством своих специфических свойств и возможностью их применения.

Структура накопителя электронов.

ПМ - поворотные магниты; В - магнитное поле; Р - вектор поляризации фотонов, излучаемых в плоскости орбиты электронов; Щ - щель канала вывода, ограничивающая ширину пучка СИ по горизонтали.

СИ обладает следующими уникальными свойствами:

СИ - излучение с исключительно высокой коллимацией пучка. Пучок СИ испускается электроном по касательной к траектории и имеет угловую расходимость y»g -1 , где g - релятивистский фактор (отношение энергии электронов Е в накопителе к энергии покоя электрона Е 0 =0.511МэВ); для типичных значений Е»1ГэВ имеем g»10 3 и y»1мра¶.

СИ обладает широким, непрерывным, легко перестраиваемым спектром, перекрывающим практически весь рентгеновский диапазон и область ультрафиолетового излучения (0.1¼100нм). Для описания спектральных свойств СИ вводится понятие критической длины волны l с. Это длина волны, которая делит энергетический спектр СИ на две равные части (суммарная энергия излучаемых фотонов с длинами волн меньше l с равна суммарной энергии фотонов с длинами волн больше l с).

СИ обладает очень высокой интенсивностью. Интенсивность СИ в наиболее важном для исследований и технологии рентгеновском диапазоне более чем на пять порядков превышает интенсивность рентгеновских трубок.

СИ обладает естественной поляризацией: строго линейной на оси пучка (вектор электрического поля лежит в плоскости орбиты электронов) и строго циркулярной на его периферии. Поляризация СИ играет важную роль во многих прецизионных методах исследования материалов и структур микроэлектроники.

Перечисленные выше уникальные свойства синхротронного излучения позволяют поднять на новый качественный уровень субмикронную микротехнологию и аналитические методы диагностики субмикронных функциональных структур.

Контраст в системах экспонирования с применением синхротронного излучения.

Рентгенолитография с применением синхротронного излучения - это многофакторный технологический процесс, в котором важную роль играют параметры многих компонен­тов литографической системы: источника излучения, канала вывода, рентгеношаблона, рентгенорезиста.

Главный фактор, определяющий потенциальные возможности того или иного литографического метода в микротехнологии СБИС - разрешение или минимальный размер надежно воспроизводимого в резисте элемента рентгеношаблона. В рентгенолитографии разрешение определяется, с одной стороны, волновой природой рентгеновского излучения (дифракционные искажения), с другой стороны, нелокальным характером формирования реального скрытого изображения (генерация фото- и оже- электронов рентгеновскими фотонами и вторичное экспонирование резиста этими электронами). Кроме того, реальное технологическое разрешение очень сильно зависит от процесса проявления полученного скрытого изображения.

Для оценки эффективности работы рентгенолитографической системы экспонирования в той или иной области спектра нужно учитывать не только спектральную эффективность рентгенорезиста, но и рентгеновскую прозрачность, то есть оптические характеристики литографического канала вывода СИ. Поэтому в системах экспонирования с применением рентгеновского излучения (например, в рентгенолитографических системах экспонирования) одним из важных параметров является контраст получаемого рентгеновского изображения (например контраст скрытого изображения в рентгенорезисте).

Схема рентгенографической системы экспонирования в пучках СИ.

1-вакуумное окно; 2-мембрана рентгеношаблона; 3-маска; 4-резист; 5-рабочая пластина.

Излучение ч-ц, движущихся в перем. электрич. и магн. полях, наз. ондуляторным излучением. С. и. обусловлено ускорением, связанным с искривлением траекторий ч-ц в магн. поле. Аналогичное излучение нерелятив. ч-ц, движущихся по круговым или спиральным траекториям, наз. циклотронным излучением; оно происходит на осн. гиромагнитной частоте и ее первых гармониках. С увеличением скорости ч-цы роль высоких гармоник возрастает; при приближении к релятив. пределу излучение в области наиб. интенсивных высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора y=mс2/?, где m и? - и энергия ч-цы.

где е - ч-цы, Н^ - составляющая магн. поля, перпендикулярная скорости ч-цы. Сильная зависимость излучаемой мощности от массы ч-цы делает С. и. наиб. существенным для лёгких ч-ц-эл-нов и позитронов. Спектральное (по частоте n) излучаемой мощности определяется выражением:

K5/3(h) - цилиндрич. ф-ция второго рода мнимого аргумента. График ф-ции

представлен на рис. Характерная частота, на к-рую приходится максимум в спектре излучения ч-цы, равна (в Гц):

n»0,29 nc=l,8 1018H^?2эpr=4,6 10-6РH^?2эв.

Излучение отд. ч-цы в общем случае эллиптически поляризовано с большой осью эллипса поляризации, расположенной перпендикулярно видимой проекции магн. поля. Степень эллиптичности и направление вращения вектора напряжённости электрич. поля зависят от направления наблюдения по отношению к конусу, описываемому вектором скорости ч-цы вокруг направления магн. поля. Для направлений наблюдения, лежащих на этом конусе, линейная.

Впервые С. и. наблюдалось в циклич. ускорителях эл-нов (в синхротроне, поэтому и получило назв. «С. и.»). Потери энергии на С. п., а также связанные с С. и. квант. эффекты в движении ч-ц необходимо учитывать при конструировании циклич. ускорителей эл-нов высокой энергии. С. и циклич. ускорителей эл-нов используется для получения интенсивных пучков поляризованного эл.-магн. излучения в УФ области спектра и в области «мягкого» рентг. излучения; пучки рентг. С. и. применяются, в частности, в рентгеновском структурном анализе.

Большой интерес представляет С. и. косм. объектов, в частности нетепловой радиофон Галактики, нетепловое радио- и оптич. излучение дискретных источников (сверхновых звёзд, пульсаров, квазаров, радиогалактик). Синхротронная природа этих излучений подтверждается особенностями их спектра и поляризации. Согласно совр. представлениям, релятив. эл-ны, входящие в состав космических лучей, дают С. и. в косм. магн. полях в радио-, оптическом, а возможно, и в рентгеновском диапазонах. Измерения . интенсивности и поляризации косм. С. и. позволяют получить информацию о концентрации и энергетич. спектре релятив. эл-нов, величине и направлении магн. полей в удалённых частях Вселенной.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

- магнитотормозное излучение, испускаемоерелятивистскими заряж. частицами в однородном магн. поле. Излучение частиц, ондуляторным излучением. С. и. обусловлено ускорением частиц, появляющемся при искривлении ихтраекторий в магн. поле. Аналогичное излучение нерелятивистских частиц, где т - масса покоя, -энергия частицы.

Полная мощность излучения частицы с энергией равна где е - заряд частицы,- составляющая магн. поля, перпендикулярная её скорости. Т. ч)распределениеизлучаемой мощности определяется выражением

где , а -цилиндрич. ф-ция второго рода мнимого аргумента. Характерная частота, нак-рую приходится максимум в спектре излучения частицы:

Излучение отд. частицы в общем случае эллиптически поляризовано, причёмбольшая ось эллипса поляризации расположена перпендикулярно видимой проекциимагн. поля. Степень эллиптичности и направление вращения вектора напряжённостиэлектрич. поля зависят от направления наблюдения по отношению к конусу, поляризация излучения линейная.

Впервые С. и. предсказано А. Шоттом (A. Schott, 1912) и наблюдалосьв циклич. ускорителях электронов (в синхротроне, поэтому и получило назв. рентгеновском структурном анализе, рентг. спектроскопии и др.

Большей интерес представляет С. и. космич. объектов, в частности нетепловойрадиофон Галактики, нетепловое радио- и оптич. излучение дискретных источников(сверхновых звёзд, пульсаров, квазаров, радиогалактик). Синхротронная природаэтих излучений подтверждается особенностями их спектра и поляризации. Релятивистскиеэлектроны, входящие в состав космич. лучей, в космич. магн. полях даютсинхротронную составляющую космич. излучения в радио-, оптическом и рентг. Лит.: Соколов А. А., Тернов И. М., Релятивистский , М.,1974; Кулипанов Г. Н., С к р и н с к и й А. Н., Использование синхротронногоизлучения: состояние и перспективы, «УФН», 1977, т. 122, в. 3; Синхротронноеизлучение. Свойства и применения, пер. с англ., М., 1981. С. И. Cыроватский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ" в других словарях:

СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, в физике ПОТОК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, вырабатываемый высокоэнергетическими ЭЛЕКТРОНАМИ, постоянно увеличивающими скорость при движении в МАГНИТНОМ ПОЛЕ. Синхротронное излучение может принимать вид рентгеновских… … Научно-технический энциклопедический словарь

- (магнитотормозное излучение) излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле, искривляющем их траектории. Впервые наблюдалось в синхротроне (отсюда название) … Большой Энциклопедический словарь

синхротронное излучение - Нрк. светящийся электрон Оптическое излучение, возникающее при движении релятивистских электронов по криволинейной траектории. Примечание Термин может применяться для обозначения как процессов излучения, так и результатов излучения. [Сборник… … Справочник технического переводчика

Электромагнитное излучение Синхротронное … Википедия

Термин синхротронное излучение Термин на английском synchrotron radiation Синонимы магнитотормозное излучение Аббревиатуры СИ Связанные термины EXAFS, XAFS Определение тормозное излучение, испускаемое релятивистскими заряженными частицами в… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Магнитотормозное излучение, излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле. Излучение обусловлено ускорением, связанным с искривлением траекторий частиц в магнитном поле.… … Большая советская энциклопедия

- (магнитотормозное излучение), электромагн. излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися в однородном магн. поле по искривленным траекториям с релятивистскими скоростями. С. и. впервые наблюдалось в синхротроне (отсюда назв.). Осн.… … Химическая энциклопедия

Излучение электромагнитных волн заряженных частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле, искривляющем их траектории. Впервые наблюдалось в синхротроне (отсюда название). * * * СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СИНХРОТРОННОЕ… … Энциклопедический словарь

Электромагнитное излучение, испускаемое электрически заряженной частицей, движущейся в магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Название связано с тем, что такое излучение впервые наблюдалось в синхротронных ядерных ускорителях.… … Астрономический словарь

синхротронное излучение - sinchrotroninis spinduliavimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektringųjų dalelių, kertančių magnetinį lauką greičiu, beveik lygiu šviesos greičiui, sukeltas elektromagnetinis spinduliavimas. atitikmenys: angl. acceleration radiation;… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Книги

• Синхротронное излучение. Методы исследования структуры веществ , Фетисов Геннадий Владимирович. Что такое синхротронное излучение (СИ), как оно получается и какими уникальными свойствами обладает? Что нового по сравнению с рентгеновскими лучами из рентгеновских трубок могут дать…