Широкий спектральный диапазон

Синхротронное излучение характеризуется исключительно широким спектральным диапазоном, охватывающим области от радиоволн до рентгеновского и даже гамма-излучения. Это свойство связано с ускорением релятивистских заряженных частиц (обычно электронов) в магнитных полях.

Ключевые моменты:

  • Частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, излучают электромагнитную волну, спектр которой определяется ускорением и кривизной траектории.
  • Интенсивность излучения распределена по спектру неравномерно: она сильно возрастает с увеличением частоты до критической частоты и затем резко падает.
  • Критическая частота ωc определяется выражением:

$$ \omega_c = \frac{3}{2} \gamma^3 \frac{c}{\rho}, $$

где γ — фактор Лоренца, c — скорость света, ρ — радиус кривизны траектории частицы.

Особенности спектра:

  • Спектр непрерывный, что позволяет использовать синхротронное излучение в широком диапазоне экспериментов.
  • При высоких энергиях электронов спектр смещается в рентгеновскую область, что делает его особенно ценным для физики твердого тела, биофизики и материаловедения.

Формирование спектра в различных магнитных структурах

Существует несколько типов магнитных устройств, используемых для формирования синхротронного излучения с различными спектральными характеристиками:

  1. Бендовые магниты (dipoles)

    • Электроны движутся по круговой траектории, излучение концентрируется в плоскости движения.
    • Образуется широкополосный спектр с пиковой интенсивностью около критической частоты.

  2. Ондуляторы

    • Представляют собой периодическую систему магнитов с чередующимися полярностями.
    • Формируют спектр с хорошо выраженными гармониками, которые могут быть настроены на заданные длины волн.
    • Широкий спектральный диапазон обеспечивается большим количеством периодов и высокой энергией электронов.

  3. Вигглеры

    • По сути, усиленные ондуляторы с большими амплитудами магнитного поля.
    • Излучение практически полностью распространяется по всей спектральной области от ИК до рентгеновских длин волн.
    • Обеспечивают высокую яркость и мощность излучения.

Поляризация и угловое распределение

Широкий спектр синхротронного излучения сопровождается характерной поляризацией и угловой зависимостью интенсивности:

  • В плоскости движения частицы излучение преимущественно линейно поляризовано.
  • При отклонении от плоскости движения наблюдается круговая поляризация, которая меняет знак при переходе через ось траектории.
  • Угловое распределение интенсивности зависит от энергии частиц: при релятивистских скоростях излучение сосредоточено в узком конусе вдоль мгновенной скорости частицы.

Энергетические и спектральные характеристики

  • Энергетический диапазон: от долей эВ до десятков кэВ и выше, что зависит от энергии электронного пучка и радиуса кривизны магнитной системы.
  • Яркость и поток: характеризуются как спектральные плотности энергии, определяющие количество фотонов на единицу площади, угла и энергии.
  • Ширина гармоник ондуляторов: уменьшается с ростом числа периодов N по закону Δλ/λ ∼ 1/N, что позволяет получать монохроматическое излучение в выбранных областях спектра.

Применение широкого спектрального диапазона

Широкий спектр синхротронного излучения позволяет использовать его для:

  • Рентгеновской кристаллографии и структурного анализа материалов
  • Спектроскопии, включая ИК, УФ и рентгеновскую области
  • Медицинской визуализации и биофизических исследований
  • Исследования динамики электронных и атомных процессов

Использование различных магнитных конфигураций позволяет настраивать спектр, поляризацию и интенсивность, что делает синхротронное излучение универсальным инструментом современной физики и смежных наук.

Оглавление