Le spectre du rayonnement synchrotron n'est pas si grand. C'est-à-dire qu'il ne peut être divisé qu'en quelques types. Si la particule n'est pas relativiste, alors un tel rayonnement est appelé émission cyclotronique. Si, au contraire, les particules sont de nature relativiste, alors les rayonnements résultant de leur interaction sont parfois appelés ultrarelativistes. Le rayonnement synchrone peut être obtenu soit artificiellement (dans des synchrotrons ou des anneaux de stockage), soit naturellement grâce à des électrons rapides se déplaçant à travers des champs magnétiques. Le rayonnement ainsi produit a une polarisation caractéristique et les fréquences générées peuvent varier sur tout le spectre électromagnétique, également appelé rayonnement continu.
Ouverture
Ce phénomène a été nommé d'après un générateur de synchrotron General Electric construit en 1946. Son existence a été annoncée en mai 1947 par les scientifiques Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir et HerbPollock dans sa lettre "Radiation des électrons dans le synchrotron". Mais ce n'était qu'une découverte théorique, vous lirez ci-dessous la première véritable observation de ce phénomène.
Sources
Lorsque des particules de haute énergie sont en accélération, y compris des électrons forcés de se déplacer le long d'une trajectoire courbe par un champ magnétique, un rayonnement synchrotron est produit. Ceci est similaire à une antenne radio, mais avec la différence que théoriquement la vitesse relativiste va changer la fréquence observée en raison de l'effet Doppler par le coefficient de Lorentz γ. Le raccourcissement de la longueur relativiste heurte alors la fréquence observée par un autre facteur γ, augmentant ainsi la fréquence GHz de la cavité résonnante qui accélère les électrons dans le domaine des rayons X. La puissance rayonnée est déterminée par la formule relativiste de Larmor, et la force sur l'électron rayonné est déterminée par la force d'Abraham-Lorentz-Dirac.
Autres fonctionnalités
Le diagramme de rayonnement peut être déformé d'un diagramme dipolaire isotrope à un cône de rayonnement hautement dirigé. Le rayonnement synchrotron électronique est la source artificielle de rayons X la plus brillante.
La géométrie de l'accélération planaire semble rendre le rayonnement polarisé linéairement lorsqu'il est vu dans le plan de l'orbite et circulairement polarisé lorsqu'il est vu à un léger angle par rapport à ce plan. L'amplitude et la fréquence, cependant, sont centrées sur l'écliptique polaire.
La source de rayonnement synchrotron est également une source de rayonnement électromagnétique (EM), qui estun anneau de stockage conçu à des fins scientifiques et techniques. Ce rayonnement est produit non seulement par des anneaux de stockage, mais également par d'autres accélérateurs de particules spécialisés, généralement des électrons accélérant. Une fois qu'un faisceau d'électrons à haute énergie est généré, il est dirigé vers des composants auxiliaires tels que des aimants de courbure et des dispositifs d'insertion (ondulateurs ou wigglers). Ils fournissent des champs magnétiques puissants, des faisceaux perpendiculaires, qui sont nécessaires pour convertir les électrons à haute énergie en photons.
Utilisation du rayonnement synchrotron
Les principales applications de la lumière synchrotron sont la physique de la matière condensée, la science des matériaux, la biologie et la médecine. La plupart des expériences utilisant la lumière synchrotron sont liées à l'étude de la structure de la matière depuis le niveau sub-nanométrique de la structure électronique jusqu'au niveau micrométrique et millimétrique, ce qui est important pour l'imagerie médicale. Un exemple d'application industrielle pratique est la production de microstructures à l'aide du procédé LIGA.
Le rayonnement synchrotron est également généré par des objets astronomiques, généralement lorsque des électrons relativistes tournent en spirale (et donc changent de vitesse) à travers des champs magnétiques.
Histoire
Ce rayonnement a été découvert pour la première fois dans une fusée tirée par Messier 87 en 1956 par Geoffrey R. Burbidge, qui y voyait une confirmation de la prédiction de Iosif Shklovsky en 1953, mais il avait été prédit plus tôt par Hannes Alfven et Nikolai Herlofson dans 1950. Les éruptions solaires accélèrent les particulesqui émettent de cette manière, comme proposé par R. Giovanolli en 1948 et décrit de manière critique par Piddington en 1952.
Espace
Les trous noirs supermassifs sont proposés pour créer un rayonnement synchrotron en poussant des jets créés par l'accélération gravitationnelle d'ions à travers des régions polaires "tubulaires" supercordées de champs magnétiques. De tels jets, les plus proches d'entre eux dans Messier 87, ont été identifiés par le télescope Hubble comme des signaux supraluminiques se déplaçant à une fréquence de 6 × s (six fois la vitesse de la lumière) depuis notre référentiel planétaire. Ce phénomène est causé par le fait que les jets se déplacent très près de la vitesse de la lumière et sous un très petit angle par rapport à l'observateur. Étant donné que les jets à grande vitesse émettent de la lumière à chaque point de leur trajectoire, la lumière qu'ils émettent ne s'approche pas beaucoup plus rapidement de l'observateur que le jet lui-même. La lumière émise au cours de centaines d'années de voyage parvient ainsi à l'observateur dans un laps de temps beaucoup plus court (dix ou vingt ans). Il n'y a aucune violation de la théorie restreinte de la relativité dans ce phénomène.
Une émission impulsive de rayonnement gamma d'une nébuleuse d'une luminosité allant jusqu'à ≧25 GeV a récemment été détectée, probablement en raison d'une émission synchrotron par des électrons piégés dans un fort champ magnétique autour du pulsar. Une classe de sources astronomiques où l'émission synchrotron est importante sont les nébuleuses de vent pulsar, ou plérions, dont la nébuleuse du crabe et son pulsar associé sont l'archétype. La polarisation dans la nébuleuse du Crabe à des énergies comprises entre 0,1 et 1,0 MeV est un rayonnement synchrotron typique.
En bref sur le calcul et les collisionneurs
Dans les équations sur ce sujet, des termes ou valeurs spéciaux sont souvent écrits, symbolisant les particules qui composent le soi-disant champ de vitesse. Ces termes représentent l'effet du champ statique de la particule, qui est fonction de la composante de vitesse nulle ou constante de son mouvement. Au contraire, le deuxième terme tombe comme l'inverse de la première puissance de la distance à la source, et certains termes sont appelés champ d'accélération ou champ de rayonnement car ils sont des composants du champ dû à l'accélération de la charge (changement de vitesse).
Ainsi, la puissance rayonnée est mise à l'échelle comme une énergie de puissance quatre. Ce rayonnement limite l'énergie du collisionneur circulaire électron-positon. En règle générale, les collisionneurs de protons sont plutôt limités par le champ magnétique maximal. Ainsi, par exemple, le Large Hadron Collider a une énergie de centre de masse 70 fois plus élevée que tout autre accélérateur de particules, même si la masse d'un proton est 2000 fois celle d'un électron.
Terminologie
Différents domaines scientifiques ont souvent différentes manières de définir les termes. Malheureusement, dans le domaine des rayons X, plusieurs termes signifient la même chose que "rayonnement". Certains auteurs utilisent le terme "luminosité", qui était autrefois utilisé pour désigner la luminosité photométrique, ou était utilisé à tort pourdésignations de rayonnement radiométrique. L'intensité signifie la densité de puissance par unité de surface, mais pour les sources de rayons X, cela signifie généralement la brillance.
Mécanisme d'occurrence
Le rayonnement synchrotron peut se produire dans les accélérateurs soit comme une erreur imprévue, provoquant des pertes d'énergie indésirables dans le contexte de la physique des particules, soit comme une source de rayonnement délibérément conçue pour de nombreuses applications de laboratoire. Les électrons sont accélérés à des vitesses élevées en plusieurs étapes pour atteindre une énergie finale qui se situe généralement dans la gamme des gigaélectronvolts. Les électrons sont forcés de se déplacer dans un chemin fermé par des champs magnétiques puissants. Elle est similaire à une antenne radio, mais à la différence que la vitesse relativiste modifie la fréquence observée en raison de l'effet Doppler. La contraction relativiste de Lorentz affecte la fréquence gigahertz, la multipliant ainsi dans une cavité résonnante qui accélère les électrons dans la gamme des rayons X. Un autre effet dramatique de la relativité est que le diagramme de rayonnement est déformé du diagramme de dipôle isotrope attendu de la théorie non relativiste à un cône de rayonnement extrêmement dirigé. Cela fait de la diffraction du rayonnement synchrotron le meilleur moyen de créer des rayons X. La géométrie d'accélération plate rend le rayonnement polarisé linéairement lorsqu'il est vu dans le plan de l'orbite et crée une polarisation circulaire lorsqu'il est vu sous un léger angle par rapport à ce plan.
Utilisations diverses
Avantages de l'utilisationLes rayonnements synchrotron pour la spectroscopie et la diffraction ont été mis en œuvre par une communauté scientifique de plus en plus nombreuse depuis les années 1960 et 1970. Au début, des accélérateurs ont été créés pour la physique des particules. Le "mode parasite" utilisait le rayonnement synchrotron, où le rayonnement magnétique de flexion devait être extrait en perçant des trous supplémentaires dans les tubes du faisceau. Le premier anneau de stockage introduit en tant que source de lumière synchrotron était Tantalus, qui a été lancé pour la première fois en 1968. Au fur et à mesure que le rayonnement de l'accélérateur devenait plus intense et que ses applications devenaient plus prometteuses, des dispositifs qui augmentaient son intensité ont été intégrés dans les anneaux existants. La méthode de diffraction du rayonnement synchrotron a été développée et optimisée dès le début pour obtenir des rayons X de haute qualité. Des sources de quatrième génération sont envisagées, qui incluront divers concepts pour créer des rayons X structurels ultra-brillants, pulsés et chronométrés pour des expériences extrêmement exigeantes et peut-être encore incréées.
Premiers appareils
Au début, des électroaimants de courbure dans les accélérateurs étaient utilisés pour générer ce rayonnement, mais d'autres dispositifs spécialisés, des dispositifs d'insertion, étaient parfois utilisés pour créer un effet d'éclairage plus fort. Les méthodes de diffraction du rayonnement synchrotron (troisième génération) dépendent généralement des dispositifs sources, où les sections droites de l'anneau de stockage contiennent desstructures magnétiques (contenant de nombreux aimants sous la forme de pôles N et S alternés) qui provoquent le déplacement des électrons selon une trajectoire sinusoïdale ou en spirale. Ainsi, au lieu d'un seul virage, plusieurs dizaines ou centaines de "tourbillons" dans des positions précisément calculées ajoutent ou multiplient l'intensité globale du faisceau. Ces dispositifs sont appelés wigglers ou onduleurs. La principale différence entre un onduleur et un wiggler est l'intensité de leur champ magnétique et l'amplitude de la déviation par rapport au trajet direct des électrons. Tous ces dispositifs et mécanismes sont maintenant stockés au Center for Synchrotron Radiation (USA).
Extraction
L'accumulateur a des trous qui permettent aux particules de quitter le fond de rayonnement et de suivre la ligne du faisceau jusqu'à la chambre à vide de l'expérimentateur. Un grand nombre de ces faisceaux peuvent provenir d'appareils modernes à rayonnement synchrotron de troisième génération.
Les électrons peuvent être extraits de l'accélérateur proprement dit et stockés dans un stockage magnétique auxiliaire sous ultravide, d'où ils peuvent être extraits (et où ils peuvent être reproduits) un grand nombre de fois. Les aimants de l'anneau doivent également recomprimer à plusieurs reprises le faisceau contre les "forces de Coulomb" (ou, plus simplement, les charges d'espace) qui tendent à détruire les paquets d'électrons. Le changement de direction est une forme d'accélération, car les électrons émettent un rayonnement à des énergies élevées et à des vitesses d'accélération élevées dans un accélérateur de particules. En règle générale, la luminosité du rayonnement synchrotron dépend également de la même vitesse.
