Синхротронное излучение. Синхротронное излучение в ИЯФ: формула успеха Синхротронное излучение анализ динамических процессов порошковой металлургии

Спектр синхротронного излучения не так уж велик. То есть оно может быть разделено лишь на несколько видов. Если частица нерелятивистская, то такое излучение называется циклотронной эмиссией. Если, с другой стороны, частицы являются релятивистскими по своей сути, то излучения, получаемые в результате их взаимодействия, иногда называются ультрарелятивистскими. Синхронное излучение может быть достигнуто либо искусственно (в синхротронах или накопительных кольцах), либо естественно благодаря быстрым электронам, движущимся через магнитные поля. Полученное таким образом излучение имеет характерную поляризацию, и генерируемые частоты могут варьироваться по всему электромагнитному спектру, который также называется континуумным излучением.

Открытие

Этот феномен был назван в честь синхротронного генератора General Electric, построенного в 1946 году. О его существовании заявили в мае 1947 года ученые Фрэнк Элдер, Анатолий Гуревич, Роберт Лэнгмюр и Герб Поллок в письме «Радиация от электронов в синхротроне». Но это было только теоретическое открытие, о первом реальном наблюдении этого феномена вы прочтете ниже.

Источники

Когда частицы с высокой энергией находятся в ускорении, в том числе электроны, вынуждаемые двигаться по кривой траектории магнитным полем, получается синхротронное излучение. Это похоже на радиоантенну, но с той разницей, что теоретически релятивистская скорость изменит наблюдаемую частоту из-за эффекта Допплера на коэффициент Лоренца γ. Сокращение релятивистской длины затем ударяет по частоте, наблюдаемой другим фактором γ, тем самым увеличивая частоту ГГц резонансной полости, которая ускоряет электроны в рентгеновском диапазоне. Излучаемая мощность определяется релятивистской ларморовской формулой, а сила на излучаемом электроне - силой Абрахама-Лоренца-Дирака.

Другие характеристики

Радиационная картина может быть искажена из изотропного дипольного рисунка в чрезвычайно направленный конус излучения. Синхротронное излучение электронов является самым ярким искусственным источником рентгеновских лучей.

Геометрия планарного ускорения, по-видимому, делает излучение линейно поляризованным при наблюдении в плоскости орбиты и циркулярно поляризованным при наблюдении под небольшим углом к ​​этой плоскости. Амплитуда и частота, однако, сосредоточены на полярной эклиптике.

Источником синхротронного излучения является также и источник электромагнитного излучения (ЭМ), представляющий собой накопительное кольцо, созданное для научно-технических целей. Это излучение производится не только накопительными кольцами, но и другими специализированными ускорителями частиц, обычно ускоряющими электроны. Как только генерируется высокоэнергетический электронный пучок, он направлен на вспомогательные компоненты, такие как изгибающие магниты и устройства для вставки (ондуляторы или вигглеры). Они обеспечивают сильные магнитные поля, перпендикулярные лучи, которые необходимы для преобразования электронов высокой энергии в фотоны.

Применение синхротронного излучения

Основные области применения синхротронного света - физика конденсированных сред, материаловедение, биология и медицина. Большая часть экспериментов с использованием синхротронного света связана с изучением структуры вещества с суб-нанометрового уровня электронной структуры до уровня микрометра и миллиметра, важного для медицинской визуализации. Примером практического промышленного применения является производство микроструктур по процессу ЛИГА.

Синхротронное излучение также генерируется астрономическими объектами, обычно там, где релятивистские электроны спирально перемещаются (и, следовательно, изменяют скорость) через магнитные поля.

История

Это излучение было впервые обнаружено в реактивном снаряде, выпущенном Мессье 87 в 1956 году, Джеффри Р. Бурбиджем, который видел его в качестве подтверждения предсказания Иосифа Шкловского в 1953 году, но он был предсказан ранее Ханнесом Альфвеном и Николаем Херлофсоном в 1950 году. Солнечные вспышки ускоряют частицы, которые испускают таким образом, как это было предложено Р. Джованолли в 1948 году и критически описано Пиддингтон в 1952 году.

Космос

Предложены для создания синхротронного излучения путем выталкивания струй, создаваемых гравитационно ускоряющимися ионами через сверхкортированные «трубчатые» полярные области магнитных полей. Такие струи, ближайшие из них в Мессье 87, были определены телескопом Хаббла как сверхсветовые сигналы, движущиеся с частотой 6 × с (в шесть раз больше скорости света) от нашей планетарной рамки. Это явление вызвано тем, что струи движутся очень близко к скорости света и под очень небольшим углом к ​​наблюдателю. Поскольку в каждой точке их пути высокоскоростные струи испускают свет, свет, который они излучают, не приближается к наблюдателю гораздо быстрее, чем сама струя. Свет, излучаемый в течение сотен лет путешествий, таким образом, приходит к наблюдателю в течение гораздо меньшего периода времени (десять или двадцать лет). Нарушения специальной теории относительности в этом явлении нет.

Недавно было обнаружено импульсное выделение гамма-излучения от туманности яркостью до ≥25 ГэВ, возникшее, вероятно, из-за синхротронного излучения электронами, захваченными сильным магнитным полем вокруг пульсара. Класс астрономических источников, где важна синхротронная эмиссия, - пульсарные ветровые туманности, или плерионы, из которых Крабовидная туманность и связанный с ней пульсар являются архетипическими. Поляризация в Крабовидной туманности при энергиях от 0,1 до 1,0 МэВ представляет собой типичное синхротронное излучение.

Кратко о вычислении и коллайдерах

В уравнениях на эту тему часто пишутся специальные члены или значения, символизирующие частицы, составляющие так называемое поле скоростей. Эти члены представляют собой эффект статического поля частицы, который является функцией компонента его движения, имеющего нулевую или постоянную скорость. Напротив, второе слагаемое падает как обратная первая степень расстояния от источника, а некоторые члены называются полем ускорения или полем излучения, потому что они представляют собой компоненты поля, возникшего из-за ускорения заряда (изменение скорости).

Таким образом, излучаемая мощность масштабируется как энергия четвертой степени. Это излучение ограничивает энергию электрон-позитронного кругового коллайдера. Как правило, протонные коллайдеры вместо этого ограничены максимальным магнитным полем. Поэтому, например, Большой адронный коллайдер имеет энергию центра масс в 70 раз выше, чем любой другой ускоритель частиц, даже если масса протона в 2000 раз больше массы электрона.

Терминология

Различные области науки часто имеют разные способы определения терминов. К сожалению, в области рентгеновских лучей несколько терминов означают то же самое, что и "излучение". Некоторые авторы используют термин «яркость», который когда-то использовался для обозначения фотометрической яркости или использовался неправильно для обозначения радиометрического излучения. Интенсивность означает плотность мощности на единицу площади, но для источников рентгеновских лучей обычно означает блеск.

Механизм возникновения

Синхротронное излучение может происходить в ускорителях либо в качестве непредвиденной ошибки, вызывая нежелательные потери энергии в контексте физики частиц, либо как сознательно созданный источник излучения для многочисленных лабораторных применений. Электроны ускоряются до высоких скоростей в несколько этапов для достижения конечной энергии, которая обычно находится в диапазоне гигаэлектронвольт. Электроны вынуждены двигаться по замкнутому пути сильными магнитными полями. Это похоже на радиоантенну, но с той разницей, что релятивистская скорость изменяет наблюдаемую частоту из-за эффекта Допплера. Релятивистское сжатие Лоренца влияет на гигагерцовую частоту, тем самым умножая ее в резонансной полости, которая ускоряет электроны в рентгеновский диапазон. Другим драматическим эффектом относительности является то, что картина излучения искажается от изотропной дипольной картины, ожидаемой от нерелятивистской теории, до чрезвычайно направленного конуса излучения. Это делает дифракцию синхротронного излучения лучшим способом создания рентгеновских лучей. Плоская геометрия ускорения делает излучение линейно поляризованным при наблюдении в плоскости орбиты и создает круговую поляризацию при наблюдении под небольшим углом к ​​этой плоскости.

Использование в различных сферах

Первые аппараты

Сначала использовались изгибные электромагниты в ускорителях для генерации этого излучения, но для создания более сильного светового эффекта иногда применялись другие специализированные устройства - устройства для вставки. Методы дифракции синхротронного излучения (третьего поколения) обычно зависят от устройств-источников, где прямые участки накопительного кольца содержат периодические магнитные структуры (содержащие множество магнитов в виде чередующихся полюсов N и S), которые заставляют электроны двигаться синусоидальным или спиральным путем. Таким образом, вместо одного изгиба многие десятки или сотни «завихрений» в точно рассчитанных позициях складывают или умножают общую интенсивность пучка. Эти устройства называются вигглерами или ондуляторами. Основное различие между ондулятором и вигглером - интенсивность их магнитного поля и амплитуда отклонения от прямого пути электронов. Все эти аппараты и механизмы сейчас хранятся в Центре синхротронного излучения (США).

Извлечение

В накопителе есть отверстия, позволяющие частицам выйти из радиационного фона и следовать по линии луча в вакуумную камеру экспериментатора. Большое количество таких лучей может появиться из современных устройств синхротронного излучения третьего поколения.

Электроны могут быть извлечены из собственно акселератора и сохранены во вспомогательном магнитном накопителе сверхвысокого вакуума, откуда они могут извлекаться (и где они могут воспроизводиться) большое количество раз. Магниты в кольце также должны многократно повторно сжимать луч против "кулоновских сил" (или, проще говоря, объемных зарядов), стремящихся разрушить электронные сгустки. Изменение направления является формой ускорения, потому электроны производят излучение при высоких энергиях и большой скорости разгона в ускорителе частиц. От этой же скорости, как правило, зависит и яркость синхротронного излучения.

Заряженная частица, движущаяся во внешнем магнитном поле, испытывает под действием силы Лоренца ускорение

и излучает. В 1907 г. немецкий физик Шотт первым указал на возможность такого излучения. Но только в 1944 г. советские физики Иваненко и Померанчук создали теорию излучения электрона в магнитном поле. Экспериментально оно было обнаружено американцем Блюитом (1946 г.), зарегистрировавшим свертывание круговой орбиты электронов, и его учеником Хабером (1947 г.), который первым визуально наблюдал свет от электронов, ускоряемых в синхротроне. Отсюда и название - синхротронное излучение (СИ). С развитием техники встречных пучков (см. § 13) активным «участником» физических экспериментов стал позитрон (-второй источник синхротронного излучения.

Рассмотрим основные свойства излучения ультрарелятивистской частицы, движущейся по круговой орбите в однородном (для простоты) магнитном поле Ускорение (134.1) направлено по радиусу и равно

где - единичный вектор, - радиус орбиты, - частота обращения, - заряд и импульс частицы. Для описания излучения воспользуемся результатами § 133.

Угловое распределение излучения обладает острой направленностью: Максимум излучения лежит на направлении скорости и равен

Полная интенсивность излучения

и за оборот частица теряет энергию

Исключив отсюда получим

Формула (134.6) может быть получена из простых оценок с помощью (134.3). Действительно, учитывая, что вблизи максимума

излучения найдем

Потери на СИ ограничивают возможности создания циклических (кольцевых) ускорителей электронов на высокие энергии. Например, в электрон-позитронном накопителе ВЭПП-4 частицы при энергии 5 ГэВ теряют за оборот (радиус кривизны орбиты МэВ. Это означает, что при токе в пучках 20 мА на поддержание энергии частиц потребляется мощность от ускоряющих резонаторов в 31 кВт. В самом большом электрон-позитронном накопителе который сооружается в Международном центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария), энергия частиц будет достигать 50 ГэВ. Периметр этого накопителя 30 км. Потери энергии частицей за оборот составят около 150 МэВ. Именно СИ заставляет сооружать такие гигантские кольца, компенсируя за счет размеров в знаменателе) быстрый рост потерь с энергией. Однако компенсировать таким способом четвертую степень зависимости от энергии - дело довольно безнадежное, и, по-видимому, является техническим пределом для таких сооружений. Другая возможность - линейные ускорители электропов и позитронов, в которых потери на излучение практически отсутствуют.

Для выяснения характера поляризации СИ воспользуемся формулой (121.4), откуда при

Вводя сферическую систему координат с полярной осью по V, полярным углом и азимутальным который отсчитывается от направления получим приближенное выражение

где - ларморовский радиус частицы, и использовано соотношение Максимум поля и излучения лежит на направлении скорости а характерная ширина излучения

Пример зависимости поля синхротронного излучения от времени наблюдения приведен на рис. XI.2 (см. § 78). Поскольку то необходимо найти зависимость (см. задачу 1).

Задача 1. Найти соотношение между временем излучения и временем если точка наблюдения находится в плоскости орбиты.

Используя соотношения (133.14) и запишем

Отметим, что интеграл

где определяется (134.7), поскольку постоянное поле не может убывать как . Это легко проверить для поля излучения в плоскости орбиты :

Обсудим теперь спектральные характеристики СИ. Поскольку излучение лежит в пределах угла то время, в течение которого частица излучает в заданном направлении, Тогда длительность импульса излучения в точке наблюдения равна

За время излучения частица проходит по орбите отрезок

который является длиной формирования СИ. Поэтому все предыдущие соотношения справедливы при условии

В ультрарелятивистском случае это условие всегда хорошо выполняется.

Спектр одиночного импульса синхротронного излучения - непрерывный, как у любого импульсного поля. Дискретный спектр при стационарном вращении частицы «размазывается» из-за квантовых флуктуаций энергии и зависимости частоты обращения от энергии частицы. Поэтому реально можно наблюдать только низкие гармоники частоты обращения.

Ширину спектра СИ можно оценить из длительности импульса (134.10):

где - характерная частота СИ. Расчет показывает, что спектр мощности СИ описывается следующими асимптотическими выражениями:

Электроны и позитроны в современных синхротронах и накопительных кольцах имеют такие параметры траекторий и энергий, что заметная доля мощности их СИ лежит в области видимого света. В приведенных выше примерах ВЭПП-4 и LEP максимум спектра СИ приходится примерно на одну и ту же длину волны Это жесткое рентгеновское излучение. Однако благодаря медленному спаду спектра в область больших длин волн свет даже от одиночного электрона хорошо виден. Поэтому широко используется для наблюдения за движением частиц в ускорителях. Любопытно, что сейчас уже и протонные ускорители добрались до таких параметров, при которых становится заметным СИ от протонов. Так, в Тэватроне (лаборатория им. Ферми, США) радиус орбиты 1 км, и при энергии максимум их СИ лежит на длине волны см, а потери за оборот составят 6 эВ.

В накопителе частицы движутся вдоль равновесной орбиты, которая в простейшем случае имеет вид окружности. Под действием различного рода возмущений частицы могут отклоняться от равновесной орбиты. Это происходит, например, в результате рассеяния на атомах остаточного газа, хотя его плотность в современных накопителях очень низкая (рабочее давление порядка 10-1° торр, плотность время жизни частицы составляет несколько часов, и часто оно определяется именно рассеянием на большие углы, в результате чего частица попадает на стенки вакуумной камеры. Отклонившаяся частица испытывает действие фокусирующей системы накопителя и начинает колебаться вокруг равновесной орбиты. Частота этих поперечных или «бетатронных» колебаний зависит от «жесткости» фокусирующей системы. И здесь для электронов и позитронов вступает в действие синхротронное излучение, которое гасит колебания частиц, заставляя их двигаться строго по равновесной орбите. Происходит так называемое радиационное затухание колебаний. При этом средние потери энергии (изменение компоненты импульса, касательной к орбите) компенсирует ускоряющая система накопителя. Одновременное действие сил, возбуждающих и демпфирующих поперечные колебания, приводит к тому, что в пучке частиц устанавливается некий средний, постоянный во времени размер (рис. XXII.3).

Задача 2. Найти время радиационного затухания бетатронных колебаний электрона в накопителе. Частота обращения электрона частота колебаний

Воспользовавшись выражением (132.13) для силы торможения, запишем уравнение поперечных (бетатронных) колебаний электрона в виде

Отсюда в приближении малого трения время затухания колебаний

(кликните для просмотра скана)

Рис. ХХII.3. Синхротронное излучение сгустка электронов (позитронов) в накопителе ВЭПП-2 ИЯФ СО АН СССР.

Энергия частиц 200 МэВ, радиус орбиты 1,5 м: а - равновесное состояние пучка, в - в пучке возбуждены поперечные колебания по одной (б) и двум (в) степеням свободы и нелинейные с большой амплитудой (для возбуждения колебаний по пучку «ударяют» поперечным импульсным электрическим полем, длительность импульса меньше периода обращения электронов); - скачкообразное изменение интенсивности излучения при малой интенсивности сгустка - каждый скачок соответствует потере одного электрона, рассеянного на атомах остаточного газа (метод калибровки по СИ).

На рис. XXII.3 представлены фотографии «светящихся» электронов и позитронов, совершающих поперечные колебания в накопителе со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2 (ИЯФ СО АН СССР, 1967 г.).

До сих пор мы обсуждали излучение одной частицы. Рассмотрим, как изменится характер излучения, если на орбите находится частиц. Пусть очень велико и частицы распределены строго равномерно по круговой орбите. Тогда система излучает как

(см. § 126), т. е. такой симметричный кольцевой пучок частиц практически не излучает. Однако в реальном пучке имеют место флуктуации плотности где число частиц в некотором объеме пучка. Очевидно, поля этих флуктуаций (случайных отклонений от среднего) будут складываться в случайных фазах, так что полная интенсивность излучения пропорциональна числу частиц. Это типичный случай некогерентного излучения, когда складываются не поля, а интенсивности. Если же частицы собраны в сгусток очень малых размеров, возможно усиление излучения - сгусток излучает когерентно, растет с числом частиц как

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.

Испускаемое релятивистскими заряж. частицами в однородном магн. поле. Излучение частиц, движущихся в переменных электрич. и магн. полях, наз. ондуляторным излучением . С. и. обусловлено ускорением частиц, появляющемся при искривлении их траекторий в магн. поле. Аналогичное излучение нерелятивистских частиц, движущихся по круговым или спиральным траекториям, наз. излучением; оно происходит на осн. гиромагн. частоте и её первых гармониках. С увеличением скорости частицы роль высоких гармоник возрастает; при приближении к релятивистскому пределу излучение в области наиб. интенсивных высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости частицы в узком конусе с углом раствора , где т - масса покоя,- энергия частицы.

Полная мощность излучения частицы с энергией равна где е - частицы, - составляющая магн. поля, перпендикулярная её скорости. Т.к. излучаемая мощность сильно зависит от массы частицы, С. и. наиб. существенно для лёгких частиц - электронов и позитронов. Спектральное (по частоте ч )распределение излучаемой мощности определяется выражением

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

Излучение отд. частицы в общем случае эллиптически поляризовано, причём большая ось эллипса поляризации расположена 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 частицы вокруг направления магн. поля. Для направлений наблюдения, лежащих на этом конусе, излучения линейная.

Впервые С. и. предсказано А. Шоттом (A. Schott, 1912) и наблюдалось в циклич. ускорителях электронов (в синхротроне, поэтому и получило назв. С. и.). Потери энергии на С. и., а также связанные с С. и. квантовые эффекты в движении частиц необходимо учитывать при конструировании циклич. ускорителей электронов высокой энергии. С. и. циклич. ускорителей электронов используется для получения интенсивных пучков поляризов. эл--магн. излучения в УФ-области спектра и в области «мягкого» рентг. излучения; пучки рентг. С. и. применяются в рентгеновском структурном анализе , рентг. спектроскопии и др.

Большей интерес представляет С. и. космич. 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. Релятивистские электроны, входящие в состав космич. лучей, в космич. магн. полях дают синхротронную составляющую космич. излучения в радио-, оптическом и рентг. диапазонах. Измерения спектральной интенсивности и поляризации космич. С. и. позволяют получить информацию о концентрации и энергетич. спектре релятивисгских электронов, величине и направлении магн. полей в удалённых частях Вселенной.