Sinchrotroninė spinduliuotė rentgeno spindulių diapazone. Sinchrotroninė spinduliuotė: koncepcija, pagrindai, principas ir tyrimo prietaisai, taikymas

Sinchrotroninės spinduliuotės spektras nėra toks didelis. Tai yra, jį galima suskirstyti tik į keletą tipų. Jei dalelė nėra reliatyvi, tokia spinduliuotė vadinama ciklotronų emisija. Kita vertus, jei dalelės yra reliatyvios prigimties, tada jų sąveikos atsirandanti spinduliuotė kartais vadinama ultrareliatyvistine. Sinchroninė emisija gali būti pasiekta dirbtinai (sinchrotronuose arba saugojimo žieduose) arba natūraliai greitai elektronams judant per magnetinius laukus. Taip sukurta spinduliuotė turi būdingą poliarizaciją, o generuojami dažniai gali skirtis visame elektromagnetiniame spektre, kuris taip pat vadinamas kontinuumu.

Atidarymas

Šis reiškinys buvo pavadintas „General Electric“ sinchrotroninio generatoriaus, pagaminto 1946 m., vardu. Apie jos egzistavimą 1947 m. gegužę paskelbė mokslininkai Frankas Elderis, Anatolijus Gurevičius, Robertas Langmuiras ir Herbas Pollockas laiške „Elektronų spinduliuotė sinchrotrone“. Tačiau tai buvo tik teorinis atradimas; apie pirmąjį realų šio reiškinio stebėjimą skaitysite žemiau.

Šaltiniai

Kai pagreitinamos didelės energijos dalelės, įskaitant elektronus, kuriuos magnetinis laukas verčia eiti lenktu keliu, susidaro sinchrotroninė spinduliuotė. Tai panašu į radijo anteną, tačiau teoriškai reliatyvistinis greitis pakeis stebimą dažnį dėl Doplerio efekto Lorenco koeficientui γ. Tada reliatyvistinio ilgio susitraukimas pasiekia dažnį, kurį stebi kitas faktorius γ, taip padidindamas rezonansinės ertmės GHz dažnį, kuris pagreitina elektronus rentgeno spindulių diapazone. Išspinduliuojamą galią lemia reliatyvistinė Larmor formulė, o jėga išspinduliuojančiam elektronui – Abrahamo-Lorentzo-Dirac jėgos.

Kitos charakteristikos

Spinduliuotės modelis gali būti iškreiptas iš izotropinio dipolio modelio į itin kryptingą spinduliuotės kūgį. Sinchrotroninė elektroninė spinduliuotė yra ryškiausias dirbtinis rentgeno spindulių šaltinis.

Atrodo, kad plokštuminio pagreičio geometrija spinduliuotė yra tiesiškai poliarizuota, kai stebima orbitos plokštumoje, ir apskrita, kai stebima nedideliu kampu tos plokštumos atžvilgiu. Tačiau amplitudė ir dažnis yra orientuoti į poliarinę ekliptiką.

Sinchrotroninės spinduliuotės šaltinis taip pat yra elektromagnetinės spinduliuotės (EM) šaltinis, kuris yra saugojimo žiedas, sukurtas moksliniams ir techniniams tikslams. Šią spinduliuotę gamina ne tik saugojimo žiedai, bet ir kiti specializuoti dalelių greitintuvai, dažniausiai greitinantys elektronai. Sukūrus didelės energijos elektronų pluoštą, jis nukreipiamas į pagalbinius komponentus, tokius kaip lenkimo magnetai ir įterpimo įtaisai (vingiuotojai arba banglentės). Jie suteikia stiprius magnetinius laukus, statmenus pluoštus, kurie būtini didelės energijos elektronams paversti fotonais.

Sinchrotroninės spinduliuotės taikymas

Pagrindinės sinchrotroninės šviesos taikymo sritys yra kondensuotųjų medžiagų fizika, medžiagų mokslas, biologija ir medicina. Dauguma eksperimentų, kuriuose naudojama sinchrotroninė šviesa, apima medžiagos struktūros tyrimą nuo elektroninės struktūros subnanometro lygio iki mikrometro ir milimetro lygio, kuris yra svarbus medicininiam vaizdavimui. Praktinio pritaikymo pramonėje pavyzdys yra mikrostruktūrų gamyba naudojant LIGA procesą.

Sinchrotroninę spinduliuotę taip pat generuoja astronominiai objektai, dažniausiai ten, kur reliatyvistiniai elektronai spirale (todėl keičia greitį) per magnetinius laukus.

Istorija

Šią spinduliuotę 1956 m. raketoje Messier 87 pirmą kartą atrado Geoffrey R. Burbidge'as, matydamas, kad tai patvirtina Josepho Shklovsky prognozę 1953 m., tačiau ją anksčiau numatė Hannesas Alfvénas ir Nikolajus Herlofsonas 1950 m. Saulės blyksniai pagreitina daleles, kurios tokiu būdu išmetamos, kaip pasiūlė R. Giovanolli 1948 m. ir kritiškai aprašė Piddingtonas 1952 m.

Erdvė

Siūloma sukurti sinchrotroninę spinduliuotę, stumiant gravitaciniu būdu pagreitintų jonų sukurtus purkštukus per superkortuotus „vamzdinius“ magnetinių laukų poliarinius regionus. Tokius purkštukus, artimiausius iš jų Mesjė 87, Hablo teleskopas identifikavo kaip superluminalinius signalus, judančius 6 × s (šešis kartus didesniu už šviesos greitį) dažniu iš mūsų planetos rėmo. Šį reiškinį sukelia purkštukai, judantys labai arti šviesos greičio ir labai mažu kampu stebėtojo atžvilgiu. Kadangi didelės spartos purkštukai skleidžia šviesą kiekviename savo kelio taške, jų skleidžiama šviesa prie stebėtojo neprieina daug greičiau nei pati srovė. Taigi per šimtus metų sklindanti šviesa stebėtoją pasiekia per daug trumpesnį laiką (dešimt ar dvidešimt metų). Šiame reiškinyje nėra jokios specialiosios reliatyvumo teorijos pažeidimo.

Neseniai buvo aptikti impulsiniai gama spinduliuotės spinduliai iš ūko, kurių ryškumas yra iki ≥25 GeV, greičiausiai dėl sinchrotronų emisijos iš elektronų, įstrigusių stipriame magnetiniame lauke aplink pulsarą. Astronominių šaltinių klasė, kurioje svarbi sinchrotronų emisija, yra pulsaro vėjo ūkai arba plerionai, iš kurių Krabo ūkas ir su juo susijęs pulsaras yra archetipiniai. Krabo ūko poliarizacija, kai energija yra nuo 0,1 iki 1,0 MeV, yra tipiška sinchrotroninė spinduliuotė.

Trumpai apie kompiuteriją ir kolierius

Šios temos lygtyse dažnai rašomi specialūs terminai arba reikšmės, simbolizuojančios daleles, kurios sudaro vadinamąjį greičio lauką. Šie terminai reiškia dalelės statinio lauko poveikį, kuris yra jos judėjimo nulinio arba pastovaus greičio komponento funkcija. Priešingai, antrasis narys yra atvirkštinis pirmajai atstumo nuo šaltinio galiai, o kai kurie terminai vadinami pagreičio lauku arba spinduliavimo lauku, nes jie yra lauko komponentai, atsirandantys dėl krūvio pagreičio (greičio pokyčio). ).

Taigi skleidžiama galia prilygsta ketvirtosios galios energijai. Ši spinduliuotė riboja elektronų-pozitronų žiedinio greitintuvo energiją. Paprastai protonų greitintuvus riboja didžiausias magnetinis laukas. Štai kodėl, pavyzdžiui, Didžiojo hadronų greitintuvo masės energijos centras yra 70 kartų didesnis nei bet kurio kito dalelių greitintuvo, net jei protono masė yra 2000 kartų didesnė už elektrono masę.

Terminija

Įvairios mokslo sritys dažnai turi skirtingus terminų apibrėžimo būdus. Deja, rentgeno spindulių srityje keli terminai reiškia tą patį, ką ir „radiacija“. Kai kurie autoriai vartoja terminą „ryškumas“, kuris kadaise buvo vartojamas fotometriniam ryškumui apibūdinti arba buvo neteisingai vartojamas radiometrinei spinduliuotei apibūdinti. Intensyvumas reiškia galios tankį ploto vienetui, tačiau rentgeno spindulių šaltiniams paprastai reiškia ryškumą.

Atsiradimo mechanizmas

Sinchrotroninė spinduliuotė greitintuvuose gali atsirasti arba kaip nenumatyta klaida, sukelianti nepageidaujamų energijos nuostolių dalelių fizikos kontekste, arba kaip sąmoningai sukurtas spinduliuotės šaltinis daugeliui laboratorijų. Elektronai pagreitinami iki didelio greičio keliais etapais, kad būtų pasiekta galutinė energija, kuri paprastai yra gigaelektronvoltų diapazone. Elektronus uždaru keliu verčia judėti stiprūs magnetiniai laukai. Tai panašu į radijo anteną, tačiau skirtumas yra tas, kad reliatyvistinis greitis keičia stebimą dažnį dėl Doplerio efekto. Reliatyvistinis Lorenco suspaudimas veikia gigahercų dažnį, taip padaugindamas jį rezonansinėje ertmėje, kuri pagreitina elektronus į rentgeno spindulių diapazoną. Kitas dramatiškas reliatyvumo teorijos poveikis yra tas, kad spinduliuotės modelis yra iškraipytas nuo izotropinio dipolio modelio, kurio tikimasi iš nereliatyvistinės teorijos, iki itin kryptingo spinduliuotės kūgio. Dėl to sinchrotroninės spinduliuotės difrakcija yra geriausias būdas sukurti rentgeno spindulius. Dėl plokščios pagreičio geometrijos spinduliuotė yra tiesiškai poliarizuota, kai ji stebima orbitos plokštumoje, ir sukuria žiedinę poliarizaciją, kai stebima mažu kampu tos plokštumos atžvilgiu.

Naudoti įvairiose srityse

Pirmieji įrenginiai

Iš pradžių šiai spinduliuotei generuoti buvo naudojami lenkimo elektromagnetai greitintuvuose, tačiau kartais buvo naudojami kiti specializuoti prietaisai, vadinami įterpimo įrenginiais, siekiant sukurti stipresnį šviesos efektą. Sinchrotroninės spinduliuotės difrakcijos (trečiosios kartos) metodai paprastai remiasi šaltinio įtaisais, kurių tiesiosiose saugojimo žiedo dalyse yra periodinės magnetinės struktūros (sudėtyje yra daug magnetų kintamų N ir S polių pavidalu), dėl kurių elektronai juda sinusiniu arba spiraliniu keliu. . Taigi, vietoj vieno lenkimo, daug dešimčių ar šimtų „sūkurių“ tiksliai apskaičiuotose padėtyse prideda arba padaugina bendrą spindulio intensyvumą. Šie įtaisai vadinami wigglers arba undulators. Pagrindinis skirtumas tarp banguotojo ir wigglerio yra jų magnetinio lauko intensyvumas ir nukrypimo nuo elektronų tiesaus kelio amplitudė. Visi šie įrenginiai ir mechanizmai dabar saugomi Sinchrotrono spinduliuotės centre (JAV).

Ištraukimas

Saugojimo įrenginyje yra skylės, leidžiančios dalelėms išeiti iš radiacinio fono ir sekti spindulio liniją į eksperimentatoriaus vakuuminę kamerą. Didelis kiekis tokių spindulių galėtų atsirasti iš šiuolaikinių trečios kartos sinchrotroninės spinduliuotės prietaisų.

Elektronai gali būti ištraukiami iš paties greitintuvo ir laikomi pagalbinėje UHV magnetinėje talpykloje, iš kurios juos galima paimti (ir kur galima atkartoti) daugybę kartų. Žiede esantys magnetai taip pat turi pakartotinai suspausti spindulį nuo „Kuono jėgų“ (arba, paprasčiau tariant, erdvės krūvių), kurios linkusios sunaikinti elektronų grupes. Krypties keitimas yra pagreičio forma, nes elektronai dalelių greitintuve sukuria didelės energijos ir didelio pagreičio spinduliuotę. Paprastai nuo šio greičio priklauso ir sinchrotroninės spinduliuotės ryškumas.

Kintamąja srove judančių h-cs spinduliuotė. elektrinis ir mag. laukai, vadinami banguojanti spinduliuotė. Smėlis. dėl pagreičio, susijusio su h-c trajektorijų kreivumu magnetiniame lauke. lauke. Panaši spinduliuotė nėra santykinė. h-ts, judantys apskritimo ar spiralės trajektorijomis, vadinami. ciklotroninė spinduliuotė; tai vyksta pagrindu giromagnetinis dažnis ir jo pirmosios harmonikos. Didėjant greičiui, didėja aukštųjų harmonikų vaidmuo; kai artėja prie giminaičio. apriboti spinduliuotę maks. intensyvios aukštos harmonikos turi beveik ištisinį spektrą ir yra sutelktos momentinio greičio kryptimi siaurame kūgiame, kurio atsidarymo kampas y=mc2/?, kur m ir? - ir energijos h-tsy.

kur e - h-tsy, H^ - magnio komponentas. laukai, statmeni h-tsy greičiui. Stipri skleidžiamos galios priklausomybė nuo dalelės masės daro S. ir. maks. būtini šviesos h-ts-el-novams ir pozitronams. Spektrinė (pagal dažnį n) spinduliavimo galia nustatoma pagal išraišką:

K5/3(h) – cilindrinis antrojo tipo įsivaizduojamų argumentų funkcija. Funkcijų grafikas

parodyta pav. Būdingas dažnis, kuris sudaro didžiausią dalelės emisijos spektrą, yra lygus (Hz):

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

Radiacijos dep. dalelės paprastai yra elipsiškai poliarizuotos, o pagrindinė poliarizacijos elipsės ašis yra statmena matomai magnetinei projekcijai. laukai. Elektrinio intensyvumo vektoriaus elipsiškumo laipsnis ir sukimosi kryptis. laukai priklauso nuo stebėjimo krypties kūgio, apibūdinamo dalelės greičio vektoriumi aplink magnetinę kryptį, atžvilgiu. laukai. Stebėjimo kryptims, gulinčioms ant šio kūgio, linijinės.

Pirmą kartą S. ir. stebimas cikliškai elektronų greitintuvai (sinchrotrone, todėl ir gavo pavadinimą „S. i.“). Energijos nuostoliai S. p., taip pat tie, kurie susiję su S. ir. kvantinis. Kuriant ciklą reikia atsižvelgti į poveikį c-c judėjimui. didelės energijos elektronų greitintuvai. S. ir ciklinis. elektronų greitintuvai naudojami intensyviems poliarizuotų elektronų magnetų pluoštams gaminti. spinduliuotė spektro UV srityje ir „minkštojoje“ rentgeno srityje. spinduliuotė; Rentgeno spinduliai Smėlis. ypač naudojamas rentgeno struktūrinėje analizėje.

Labai domina S. ir. erdvė objektai, ypač neterminis galaktikos radiofonas, neterminis radijas ir optinis. spinduliuotė iš atskirų šaltinių (supernovų, pulsarų, kvazarų, radijo galaktikų). Šių spindulių sinchrotroninę prigimtį patvirtina jų spektro ir poliarizacijos ypatybės. Pagal šiuolaikinį reprezentacijos, santykinis. el-ny, kurie yra kosminių spindulių dalis, suteikia S. ir. kosmose mag. laukus radijo, optiniuose ir galbūt net rentgeno spinduliuose. Išmatavimai. erdvės intensyvumas ir poliarizacija. Smėlis. leidžia gauti informacijos apie koncentraciją ir energiją. santykinis spektras el-naujas, magnetinis dydis ir kryptis. laukus atokiose Visatos vietose.

Fizinis enciklopedinis žodynas. - M.: Tarybinė enciklopedija. . 1983 .

SINCHROTRONIS SPINDULIAVIMAS

- reliatyvistinių krūvių skleidžiama magnetinė bremsstrahlung spinduliuotė. dalelės vienalyčiame magnetiniame lauke. lauke. Dalelių emisija banguojanti spinduliuote. Smėlis. dėl dalelių pagreičio, kuris atsiranda, kai jų trajektorijos yra išlenktos magnetiniame lauke. lauke. Panaši spinduliuotė iš nereliatyvistinių dalelių, kur T - ramybės masė, - dalelių energija.

Bendra dalelės, turinčios energiją, spinduliavimo galia yra lygi kur e - dalelės krūvis yra magnetinis komponentas. laukas statmenas jo greičiui. Taigi spinduliuojamos galios pasiskirstymą lemia išraiška

kur , a yra cilindro formos. antrojo tipo įsivaizduojamų argumentų funkcija. Būdingas dažnis, atitinkantis maksimalų dalelės emisijos spektre:

Radiacijos dep. dalelės paprastai yra elipsiškai poliarizuotos, o pagrindinė poliarizacijos elipsės ašis yra statmena matomai magnetinei projekcijai. laukai. Elektrinio intensyvumo vektoriaus elipsiškumo laipsnis ir sukimosi kryptis. laukai priklauso nuo stebėjimo krypties kūgio atžvilgiu, spinduliuotės poliarizacija yra tiesinė.

Pirmą kartą S. ir. prognozavo A. Schott (A. Schott, 1912) ir stebimas cikliškai. elektronų greitintuvai (sinchrotrone, todėl tai vadinama rentgeno struktūrine analize, rentgeno spektroskopija ir kt.

Didesnį susidomėjimą kelia S. ir. erdvė objektai, ypač neterminis galaktikos radiofonas, neterminis radijas ir optinis. spinduliuotė iš atskirų šaltinių (supernovų, pulsarų, kvazarų, radijo galaktikų). Šių spindulių sinchrotroninę prigimtį patvirtina jų spektro ir poliarizacijos ypatybės. Reliatyvistiniai elektronai, kurie yra kosmoso dalis. spinduliai, į kosminius mag. laukai suteikia kosminio sinchrotrono komponentą. spinduliuotė radijo, optinės ir rentgeno spinduliuose. Lit.: Sokolovas A. A., Ternovas I. M., Reliatyvistinis, M., 1974; Kulipanovas G.N., SKRINSKY A.N., Sinchrotroninės spinduliuotės naudojimas: būklė ir perspektyvos, UFN, 1977, t. 122, v. 3; Sinchrotroninė spinduliuotė. Savybės ir pritaikymas, trans. iš anglų kalbos, M., 1981 m. S. I. Syrovatsky.

Fizinė enciklopedija. 5 tomuose. - M.: Tarybinė enciklopedija. Vyriausiasis redaktorius A. M. Prokhorovas. 1988 .

Pažiūrėkite, kas yra "SYNCHROTRON RADIATION" kituose žodynuose:

SINCHROTRONIS SPINDULIAVIMAS, fizikoje, ELEKTROMAGNETINĖS SPINDULIACIJOS SRAUTAS, kurį sukuria didelės energijos ELEKTRONAI, nuolat didinantys greitį judant MAGNETINIAME LAUKE. Sinchrotroninė spinduliuotė gali būti rentgeno spindulių pavidalu... Mokslinis ir techninis enciklopedinis žodynas

- (magnetobremsstrahlung) elektromagnetinių bangų spinduliavimas įkrautų dalelių, judančių reliatyvistiniu greičiu magnetiniame lauke, lenkiant jų trajektorijas. Pirmą kartą pastebėta sinchrotrone (taigi ir pavadinimas) ... Didysis enciklopedinis žodynas

sinchrotroninė spinduliuotė- Nrk. šviečiantis elektronas Optinė spinduliuotė, atsirandanti, kai reliatyvistiniai elektronai juda lenktu keliu. Pastaba Šis terminas gali būti vartojamas kalbant apie radiacijos procesus ir spinduliuotės rezultatus. [Kolekcija...... Techninis vertėjo vadovas

Elektromagnetinė spinduliuotė Sinchrotronas ... Vikipedija

Terminas sinchrotroninė spinduliuotė Terminas anglų kalba sinchrotroninė spinduliuotė Sinonimai magnetic bremsstrahlung radiation Santrumpos SI Susiję terminai EXAFS, XAFS Apibrėžimas bremsstrahlung radiation, emited by reliative charged particles in ... ... Enciklopedinis nanotechnologijų žodynas

Magnetobremsstrahlung spinduliuotė, elektromagnetinių bangų spinduliavimas įkrautomis dalelėmis, judančiomis reliatyvistiniu greičiu magnetiniame lauke. Spinduliavimą sukelia pagreitis, susijęs su dalelių trajektorijų kreivumu magnetiniame lauke... Didžioji sovietinė enciklopedija

- (magnetinė bremsstrahlung spinduliuotė), elektromagnetinė spinduliuotė, kurią skleidžia įkrautos dalelės, judančios vienalyčiame magnetiniame lauke. laukas išlenktomis trajektorijomis reliatyvistiniais greičiais. Smėlis. pirmą kartą buvo pastebėtas sinchrotrone (iš čia ir kilo pavadinimas). Pagrindinis...... Chemijos enciklopedija

Elektromagnetinių bangų, įkraunamų dalelių, judančių reliatyvistiniu greičiu magnetiniame lauke, kuris lenkia jų trajektorijas, spinduliavimas. Pirmą kartą pastebėta sinchrotrone (taigi ir pavadinimas). * * * SINCHROTRONIS SPINDULIAVIMAS SYNCHROTRON... ... enciklopedinis žodynas

Elektromagnetinė spinduliuotė, kurią skleidžia elektriškai įkrautos dalelės, judančios magnetiniame lauke artimu šviesos greičiui. Pavadinimas atsirado dėl to, kad tokia spinduliuotė pirmą kartą buvo pastebėta sinchrotroniniuose branduolių greitintuvuose.... ... Astronomijos žodynas

sinchrotroninė spinduliuotė- sinchrotroninis spinduliavimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektringųjų dalelių, kertančių magnetinį lauką iki minimumo lygiu šviesos greičiui, sukeltas elektromagnetinis spinduliavimas. atitikmenys: angl. pagreičio spinduliuotė;… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Knygos

• Sinchrotroninė spinduliuotė. Medžiagų struktūros tyrimo metodai, Fetisovas Genadijus Vladimirovičius. Kas yra sinchrotroninė spinduliuotė (SR), kaip ji gaminama ir kokių unikalių savybių ji pasižymi? Kas naujo, palyginti su rentgeno spinduliais iš rentgeno vamzdžių, gali...

Sinchrotroninė spinduliuotė

Animacija

apibūdinimas

Sinchrotroninė (magnetobremsstrahlung) spinduliuotė – tai įkrautų dalelių, judančių reliatyvistiniu greičiu vienodame magnetiniame lauke, spinduliavimas elektromagnetinėmis bangomis. Sinchrotroninę spinduliuotę sukelia pagreitis, susijęs su dalelių trajektorijų kreivumu magnetiniame lauke. Panaši spinduliuotė iš nereliatyvistinių dalelių, judančių žiedinėmis arba spiralinėmis trajektorijomis, vadinama ciklotronine spinduliuote; jis atsiranda esant pagrindiniam giromagnetiniam dažniui ir jo pirmosioms harmonikoms. Didėjant dalelių greičiui, didėja aukštųjų harmonikų vaidmuo; Artėjant prie reliatyvistinės ribos, spinduliuotė intensyviausių aukštųjų harmonikų srityje turi beveik ištisinį spektrą ir koncentruojasi momentinio greičio kryptimi siaurame kūgiame su atsidarymo kampu:

kur m ir e yra dalelės masė ir energija.

Bendra energijos dalelės spinduliuotės galia yra lygi:

kur e yra dalelės krūvis;

Magnetinio lauko komponento stiprumas, statmenas dalelių greičiui.

Dėl stiprios skleidžiamos galios priklausomybės nuo dalelės masės sinchrotroninė spinduliuotė yra būtina šviesos dalelėms – elektronams ir pozitronams. Spektrinis (pagal dažnį n) spinduliuojamos galios pasiskirstymas nustatomas pagal išraišką:

,

Kur ;

K 5/3 (h) yra antrojo tipo įsivaizduojamo argumento cilindrinė funkcija.

Funkcijos grafikas , t.y. bematis spektrinis pasiskirstymas parodytas fig. 1.

Sinchrotroninės spinduliuotės bedimensinis spektrinis pasiskirstymas

Ryžiai. 1

x yra bematis dažnis, normalizuotas pagal sinchrotrono dažnį.

Būdingas dažnis, kuriuo dalelių emisijos spektre atsiranda maksimumas, yra lygus (Hz):

Atskiros dalelės spinduliuotė paprastai yra elipsiškai poliarizuota, o didžioji poliarizacijos elipsės ašis yra statmena matomai magnetinio lauko projekcijai. Elektrinio lauko stiprumo vektoriaus elipsiškumo laipsnis ir sukimosi kryptis priklauso nuo stebėjimo krypties kūgio, apibūdinamo dalelių greičio vektoriumi aplink magnetinio lauko kryptį, atžvilgiu. Stebėjimo krypčių, esančių ant šio kūgio, poliarizacija yra tiesinė.

Laiko ypatybės

Iniciacijos laikas (log nuo -9 iki -6);

Tarnavimo laikas (log tc nuo -9 iki 6);

Degradacijos laikas (log td nuo -9 iki -6);

Optimalaus vystymosi laikas (log tk nuo -1 iki 5).

Diagrama:

Techniniai efekto įgyvendinimai

Techninis efekto įgyvendinimas

Poveikis realizuojamas galinguose įkrautų dalelių greitintuvuose – sinchrotronuose ir ciklotronuose.

Taikant efektą

Pirmą kartą sinchrotroninė spinduliuotė buvo pastebėta cikliniuose elektronų greitintuvuose (sinchrotrone, todėl jis gavo pavadinimą „sinchrotroninis emiteris“). Projektuojant ciklinius didelės energijos elektronų greitintuvus, reikia atsižvelgti į energijos nuostolius sinchrotroniniame spinduliuote, taip pat į kvantinius dalelių judėjimo efektus, susijusius su sinchrotronine spinduliuote. Ciklinių elektronų greitintuvų sinchrotroninis emiteris naudojamas intensyviems poliarizuotos elektromagnetinės spinduliuotės pluoštams gaminti ultravioletinėje spektro srityje ir „minkštosios“ rentgeno spinduliuotės srityje; Rentgeno spindulių sinchrotroninės spinduliuotės pluoštai yra naudojami, ypač Rentgeno struktūrinė analizė.

Didelį susidomėjimą kelia kosminių objektų sinchrotroninė spinduliuotė, ypač neterminis galaktikos radiofonas, neterminis radijas ir optinė spinduliuotė iš atskirų šaltinių ( supernovos, pulsarai, kvazarai, radijo galaktikos). Šių spindulių sinchrotroninę prigimtį patvirtina jų spektro ir poliarizacijos ypatybės. Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, reliatyvistiniai elektronai, kurie yra kosminių spindulių dalis, sukuria sinchrotroninę spinduliuotę kosminiuose magnetiniuose laukuose radiooptiniame ir galbūt rentgeno spindulių diapazone. Matuojant kosminės sinchrotroninės spinduliuotės spektrinį intensyvumą ir poliarizaciją, galima gauti informacijos apie reliatyvistinių elektronų koncentraciją ir energijos spektrą, magnetinių laukų dydį ir kryptį atokiose Visatos vietose.

Pavyzdys. Elektroninis sinchrotronas.

Elektroninis sinchrotronas yra žiedinis rezonansinis elektronų (pozitronų) greitintuvas, kurio energija nuo kelių MeV iki dešimčių GeV, kuriame greitėjančio elektrinio lauko dažnis nekinta, pirmaujantis magnetinis laukas laikui bėgant didėja ir pusiausvyros orbita nekinta. pagreičio ciklo metu. Paprastai elektronai jau yra ultrareliatyvūs po injekcijos; jei pagreitis prasideda nuo Ј 5 - 7 MeV energijos, tai pagreičio ciklo pradžioje naudojamas betatrono pagreičio režimas (žr. Betatron).

Sinchrotrone įsibėgėjusių elektronų (pozitronų) trajektorijos užpildo žiedinę sritį greitintuvo vakuuminėje kameroje. Jame cirkuliuojančios dalelės pakartotinai grįžta į tuos pačius greitėjimo tarpus, į kuriuos įvedama kintamoji įtampa, kurios dažnis sveikasis skaičius kartų q (q і 1) viršija dalelių apsisukimų dažnį vadinamojoje pusiausvyros orbitoje. . Skaičius q vadinamas pagreičio koeficientu. Kiekvieną kartą, kai ji praeina pro tarpą, idealios (pusiausvyros) dalelės fazė išlieka nepakitusi, tačiau realių dalelių fazė šiek tiek keičiasi, svyruodama aplink pusiausvyros (sinchroninę) reikšmę. Pagreičio metu dalelių spindulys skyla į gumulėlius – kekes, užpildydamas tam tikrą sritį šalia sinchroninės fazės reikšmių. Didžiausias grumstų skaičius orbitoje yra q.

Dalelių trajektorija elektronų sinchrotrone sulenkiama dipolių magnetų pagalba, kurie sukuria pirmaujantį (sukamąjį) magnetinį lauką. Norint sufokusuoti daleles šiuolaikiniuose elektronų sinchrotronuose, dažniausiai naudojami laukai su dideliu magnetinės indukcijos gradientu (kietas arba stiprus fokusavimas). Magnetinio lauko lenkimo ir fokusavimo funkcijos gali būti derinamos (magnetai su kombinuotomis funkcijomis) arba atskiriamos (magnetinė sistema su atskirtomis funkcijomis). Pastaruoju atveju lenkdami magnetai (lenkdami dalelių trajektoriją) sukuria vienodus laukus. Magnetinė indukcija lenkimo magnetuose (ir jos dariniuose magnetiniuose lęšiuose) pagreičio ciklo metu nuolat didėja (dažniausiai daug kartų), atsižvelgiant į pagreitintų dalelių impulso padidėjimą.

Išlenktose trajektorijos atkarpose elektronų pluoštai (pozitronai) skleidžia sinchrotroninę spinduliuotę, kurios momentinė galia vienam elektronui nustatoma pagal formulę:

kur e yra dalelių krūvis;

g yra jo Lorenco koeficientas (dalelės bendrosios energijos ir ramybės energijos santykis);

R(s) - trajektorijos kreivumo spindulys srityje su koordinatėmis s.

Vieno apsisukimo išsklaidyta galia yra proporcinga . Esant didelei dalelių energijai, radiacijos nuostoliai gali siekti kelis MeV per apsisukimą. Norint sumažinti nuostolius, būtina padidinti elektronų sinchrotrono dydį, kuris yra susijęs su jų statybos sąnaudų padidėjimu. Tikrų elektronų sinchrotronų matmenys (kartais iki km) nustatomi pagal pagrįstą kompromisą tarp eksploatacinių (daugiausia elektros energijos pavidalu) ir kapitalo sąnaudų. Radiacijos nuostoliai turi būti kompensuojami, todėl elektronų pagreičio procesą pravartu atlikti greitai, palyginti nedideliam apsisukimų skaičiui (greitai besisukantys elektronų sinchrotronai). Greitėjančios aukšto dažnio elektronų sinchrotrono sistemos galia, esant dešimčių GeV energijai, gali siekti ~1 MW.

Literatūra

1. Fizika. Didysis enciklopedinis žodynas. - M.: Didžioji rusų enciklopedija, 1999 m.

2. Naujasis politechnikos žodynas. - M.: Didžioji rusų enciklopedija, 2000 m.

Raktažodžiai

• sinchroninė spinduliuotė
• įkrautų dalelių
• reliatyvistinis judėjimo dėsnis
• vienodas magnetinis laukas
• elektromagnetinių bangų spinduliavimas

Gamtos mokslų sekcijos:

Konstantinas Zolotarevas, Pavelas Piminovas
„Mokslas iš pirmų lūpų“ Nr.2(62), 2015 m

Beveik prieš pusę amžiaus iškilus rusų fizikas G.I.Budkeris, Novosibirsko Branduolinės fizikos instituto įkūrėjas, iškėlęs ir įgyvendinęs idėją padidinti dalelių sąveikos energiją naudojant spindulių susidūrimo metodą, vadinamas įkrautų dalelių greitintuvai yra šiuolaikinės fizikos mikroskopai, nes jie leidžia spręsti apie stebimo objekto struktūrą iš paveikslėlio, išsklaidančio ant jo dalelių srautą, tik ne šviesos kvantus, kaip mikroskope, o didelės energijos daleles. Padidėjus maksimalioms greitintuvų energijoms, prasidėjo tikra revoliucija elementariųjų dalelių ir intrabranduolinės sąveikos teorijoje, kuri tęsiasi iki šiol, kurios svarbą mokslui ir praktikai sunku pervertinti.

• „ERDVĖ“ ir „LIEPSNA“ (A. Nikolenka)
• Vario plaukų paslaptis (N. Polosmak, V. Trunova)
• Macai ar karsto rankenos? (N. Polosmakas, K. Kuperis)

1981 m. gruodžio 1 d., remiantis Sibiro filialo Branduolinės fizikos instituto greitėjančia įranga ir laboratorijomis, koordinuoti pastangas plėtoti mokslinius tyrimus su SR, efektyviai naudoti SR šaltinius ir didinti tyrimų kokybės lygį. įkurta SSRS mokslų akademija, Sibiro sinchrotroninės spinduliuotės centras, 1991 m. pertvarkytas į Sibiro tarptautinį sinchrotroninės spinduliuotės centrą (SibMCSR) – atvira instituto laboratorija, kurios veikloje gali dalyvauti Rusijos ir užsienio organizacijos bei asmenys. . 2003 metais pradėjo veikti 1-oji laisvųjų elektronų lazerio pakopa, o 2005 metais kolektyvinio naudojimo centras pervadintas į Sibiro sinchrotrono ir terahercinės spinduliuotės centrą (SCSTR).

Taigi, nors eksperimentai su sinchrotroniniais spinduliais buvo atliekami BINP nuo 1973 m., jie vis dar naudojami šiems tikslams - praėjus daugiau nei keturiasdešimčiai metų! - Naudojami VEPP-3 / VEPP-4, t.y. ne itin ryškūs 1 kartos SR šaltiniai, veikiantys rentgeno spindulių diapazone (bangos ilgis nuo 0,01 iki 1 nm), o pluošto energija 2 arba 4 GeV.

Pažymėtina, kad 2003 m. pradėjus veikti 1-ojo laisvųjų elektronų lazerio, galingų terahercinės spinduliuotės spindulių šaltinio, etapui, instituto tyrimų arsenalas iš esmės išsiplėtė, tačiau tai nepanaikino problemos sukurti galingesnį. Naujos kartos SR šaltinis, leidžiantis dirbti rentgeno spindulių diapazone.

Šiandien pasaulyje yra kelios dešimtys didelių tyrimų centrų, turinčių 3 kartos sinchrotroninės spinduliuotės šaltinius, pavyzdžiui, britų Deimantinis šviesos šaltinis, šveicaras Šveicarijos šviesos šaltinis, Prancūzų kalba Soleil ir kiti, o dar du „ryškūs“ šaltiniai yra amerikietiški NSLS-2 ir švedų MAX-IV- šiuo metu yra paleidimo būsenoje. Visi šie centrai yra paklausūs ir veikia maksimaliu pajėgumu; Jie suorganizavo ekspertines sistemas „spindulio laikui“ paskirstyti: tyrėjams konkurenciniu pagrindu, o kitiems vartotojams – mokama. Tipiški mokantys klientai yra didelės farmacijos įmonės, kurios kuria ir išbando naujus vaistus – tai didžiulis, nuolatinis ir brangus darbas.

BINP negali konkuruoti su dideliais centrais „pagrindiniuose keliuose“ – mes neturime tų pačių spindulių charakteristikų, kurios būtų konkurencingos „didžiojoje rinkoje“. Ir jei vienas iš šalies mokslininkų ar technologų turi specifinę, rimtą užduotį - pavyzdžiui, išbandyti naują vaistą, tada jiems lengviau nuvykti į Angliją ar Prancūziją, į Europos sinchrotroninės spinduliuotės centrą ( ESRF), kurio dalyvė yra ir mūsų šalis.

Sinchrotroninės spinduliuotės istorija

Tačiau magnetinė spinduliuotė, kurią skleidžia įkrautos dalelės, judančios reliatyvistiniu greičiu greitintuvų magnetiniame lauke, iš pradžių atrodė kaip apgailėtinas greitėjimo proceso šalutinis produktas, nes tai reiškė didelius energijos nuostolius, kuriuos reikėjo kompensuoti. Kadangi tokia spinduliuotė pirmą kartą buvo pastebėta sinchrotrone – cikliniame rezonansiniame greitintuve, jis pradėtas vadinti sinchrotronu, nors jo šaltiniu iš esmės gali būti bet koks įrenginys, nukreipiantis įkrautas daleles.

Tačiau sinchrotroninė spinduliuotė (SR) stebėtinai greitai perėjo „iš Pelenės į princesę“, ir šią transformaciją lėmė tokios jos „charakterio“ savybės, kaip didelis spinduliuotės spektro plotis – nuo ​​infraraudonųjų iki kietų rentgeno spindulių, aukšto laipsnio. kryptingumas ir poliarizacija bei periodiškumas nanosekundėmis.mastelis ir galiausiai didesnė galia (nors pastarosios savybės jau yra ją generuojančių specializuotų prietaisų nuopelnas). Idėją panaudoti reliatyvistinių dalelių spinduliuotę dar 1947 metais išsakė rusų teorinis fizikas ir būsimasis Nobelio premijos laureatas V. L. Ginzburgas, o per ateinantį pusę amžiaus sinchrotroninė spinduliuotė tapo universalia ir labai efektyvia priemone suprasti aplinką. pasaulis.

Yra trys sinchrotroninės spinduliuotės šaltinių kartos. Pirmasis apima sinchrotronus ir saugojimo žiedus, skirtus didelės energijos fizikai; į antrąjį - saugojimo žiedai, sukurti specialiai kaip SR šaltiniai. Spinduliuotė šiuose šaltiniuose dažniausiai sukuriama nukreipiant magnetus, o kadangi ji yra nukreipta tangentiškai į dalelės trajektoriją, kaip ir automobilio priekiniai žibintai kampe, spindulys turi ventiliatoriaus formos spindulį su dideliu sklaidos kampu.

Trečioji karta apima saugojimo žiedus su ilgais tiesiais tarpais ir įmontuotomis kintamo poliškumo magnetinėmis struktūromis, generuojančiomis sinchrotroninę spinduliuotę, kurios pluošto dydis yra mažesnis, intensyvumas ir daug didesnis spektrinis ryškumas. Paskutinis indikatorius yra svarbiausias parametras, nes jis lemia naudingo fotono srauto kiekį. Dėl kryptingo akceleratoriaus fizikų darbo rentgeno spindulių SR šaltinių ryškumas kas dešimt metų padidėjo trimis dydžiais! Nepaisant to, net ir pačiuose moderniausiuose SR šaltiniuose „naudingų“ fotonų vertė siekia tik tūkstantąsias viso šviesos srauto, todėl pastarąjį dešimtmetį pasaulinė fizinė bendruomenė aktyviai dirbo prie naujųjų SR šaltinių projektų, ketvirta, karta.

Nepaisant to, net mūsų toli gražu ne „jauniems“ šaltiniams užtenka tiek tyrimų, tiek įprastinio technologinio darbo. Pavyzdžiui, Katalizės instituto SB RAS darbuotojai nuolat analizuoja naujų katalizatorių, kuriuos planuojama pradėti į pramoninę gamybą, pavyzdžius. Tačiau pagrindinis mūsų pranašumas, ko gero, yra tas, kad BINP sinchrotroninė spinduliuotė iš esmės išlaikė savo iš pradžių nereguliuojamą paieškos įrankio statusą, su kuriuo beveik bet kuris suinteresuotas mokslininkas gali išbandyti savo, net šiek tiek „beprotišką“ idėją.

Šia prasme labai svarbu, kad mūsų SR šaltiniai būtų tokioje neįprastoje infrastruktūros objekte kaip Novosibirsko Akademgorodokas, t.y. didelėje daugiadalykėje aplinkoje. Ir tie patys archeologai, kurie, pavyzdžiui, yra toli nuo fizikos, gali beveik „kaimyniškai“ kreiptis į mus ir analizuoti bet kokį juos dominantį artefaktą. Galų gale, naujos žinios dažniausiai atsiranda dėl unikalių vartotojų pavyzdžių ir tinkamų tyrimo įrankių, kuriuos galima įgyvendinti naudojant SI, derinio.

„SPACE“ ir „FLAME“

COSMOS sinchrotroninės spinduliuotės stotis buvo sukurta 2007 m. bendradarbiaujant su Valstybiniu optikos institutu (Sankt Peterburgas). Ir pirmasis čia atliktas darbas buvo „Space Solar Patrol“ - šiame institute sukurto kosminių spektrometrų rinkinio - kalibravimas. Šie prietaisai skirti stebėti saulės spinduliuotę minkštuose rentgeno spinduliuose ir ekstremaliuose ultravioletiniuose (EUV) diapazonuose – informacija, kuri yra labai svarbi tiriant Saulės aktyvumo įtaką įvairiems antžeminiams procesams – nuo ​​oro iki biologijos. Tokie spektrometrai negali veikti antžeminėmis sąlygomis, nes atmosfera neperduoda reikiamo diapazono spinduliuotės, tačiau juos reikia išbandyti Žemėje.

Taip atsirado mūsų stotis - mažas „išorinės erdvės“ gabalas, uždarytas vakuuminėje kameroje, į kurią sinchrotroninė spinduliuotė patenka iš greitintuvo VEPP-4. Didelio vakuumo ir galingų spinduliuotės srautų derinys stoties eksperimentiniuose tūriuose sukuria panašias į artimos Žemės erdvės sąlygas.

Sinchrotroninė spinduliuotė suteikia fotonų srautą plačiame spektriniame diapazone – nuo ​​matomos spinduliuotės iki kietųjų rentgeno spindulių. Norint iš jo atrinkti reikiamą energiją turinčius fotonus, stotyje sumontuotas monochromatorius su difrakcinėmis gardelėmis ir daugiasluoksniais veidrodžiais. Dabar naudojame savo gamybos daugiasluoksnius veidrodžius, tačiau ateityje planuojame pereiti prie optikos iš Nižnij Novgorodo mikrostruktūrų fizikos instituto – tokios optikos gamybos lyderio Rusijoje, gerai žinomo pasaulio mokslo bendruomenėje. Šiandien COSMOS yra vienintelė buitinė sinchrotroninės spinduliuotės stotis, veikianti metrologijos reikmėms minkštųjų rentgeno spindulių ir EUV diapazone.

Dabar mūsų eksperimentinėje „erdvėje“ įdiegtas technologinis palydovinės įrangos pavyzdys iš Maskvos taikomosios geofizikos instituto (Maskva), sukurtas NPO Typhoon (Obninskas). Šis įrenginys bus dedamas ant kosminės stoties saulės baterijos, kuri užtikrins nuolatinę jo orientaciją į Saulę. Kosminio techninio priėmimo taisyklės reikalauja privalomo tokių įrenginių kalibravimo, o mes suteikiame įrenginiui taip reikalingą „bilietą į palydovą“. Mūsų stotis taip pat yra vienintelė instaliacija Rusijoje, kurioje galima atlikti tokį kosminės įrangos kalibravimą.

Šiuo metu dirbame prie prototipo kalibravimo technikos, tačiau iki rudens tikimės įrenginio, kuris turėtų iškeliauti į orbitą, atgabenimo.

Stotyje atliekami ir kiti metrologiniai darbai: čia išbandomi EUV diapazone veikiantys optiniai elementai, kuriuos galima panaudoti naujausioms nanoelektronikos gamybos technologijoms, taip pat detektoriai, skirti stebėti lazerinę plazmą atliekant eksperimentus su kontroliuojama. termobranduolinė sintezė. Plazma generuoja labai trumpus ir ryškius rentgeno spinduliuotės blyksnius, o kad neapakintų, detektorius turi turėti didelį greitį ir mažą jautrumą. Dėl tokių detektoriaus parametrų labai sunku jį kalibruoti kitose nei mūsų instaliacijose.

Tas pats sinchrotroninės spinduliuotės išvesties kanalas, kuriame įrengta COSMOS stotis, taip pat naudojamas kitai stočiai „kalbančiu“ pavadinimu „FLAME“, kuri dabar kuriama kartu su Novosibirsko cheminės kinetikos ir degimo institutu. Kolegų iš Cheminės technologijos ir geografijos instituto SB RAS užduotis – surinkti instaliaciją su įmontuotu degikliu liepsnai gaminti, sumontuoti ir paleisti analizės įrangą. Mūsų tikslas – sukurti reikiamų parametrų, pakankamai galingą ir „švarų“ spektrinės sudėties sinchrotroninės spinduliuotės spindulį, kuris bus naudojamas kaip smulkiai sureguliuotas instrumentas selektyviai degimo produktų jonizacijai.

Liepsna yra labai sudėtingas reiškinys: nuo organinės medžiagos užsidegimo pradžios iki jos virsmo galutiniais produktais (idealiu atveju vandeniu ir anglies dioksidu) įvyksta tūkstančiai skirtingų cheminių reakcijų. Norint organizuoti teisingą, efektyviausią ir aplinkai nekenksmingą degimo procesą, būtina atidžiai ištirti tarpinius reakcijos etapus. Paprastai reakcijos produktams jonizuoti naudojamas elektronų pluoštas, tačiau jo dalelės nėra pakankamai „suvienodintos“ energijos atžvilgiu, o jo naudojimas kaip bandymo pluoštas turi savo apribojimų. Šia prasme sinchrotroninė spinduliuotė labai skiriasi į gerąją pusę: jos pagalba bus galima konkrečiai nutraukti griežtai apibrėžtus cheminius ryšius molekulių viduje, o tai leis ne tik nustatyti degimo metu susidariusias chemines medžiagas, bet net atskirti tos pačios sudėties izomerai!

Mūsų „FLAME“ taps trečiąja tokia sinchrotronine stotimi pasaulyje po JAV ir Kinijos bei pirmąja Rusijoje. Tikimasi, kad pirmasis tiriamas objektas bus biodyzelinas – atsinaujinantis energijos nešiklis, nepažeidžiantis šiltnamio efektą sukeliančių dujų balanso atmosferoje.

Be to, kuriame ir naudojame metodus, kuriuos iš principo sunku sukurti dideliuose sinchrotroniniuose centruose, taip pat ir dėl administracinių ir organizacinių apribojimų. Pavyzdys yra detonacijos procesų tyrimas su submilisekundės laiko skiriamąja geba specialioje sprogimo kameroje, esančioje tiesiai ant sinchrotroninės spinduliuotės išėjimo kanalo. Kadangi sinchrotroninė spinduliuotė išeina ne kaip nenutrūkstamas srautas, o trumpų blyksnių pavidalu, kurie pakartoja trumpų elektronų pluoštų laiko struktūrą (mūsų atveju tokių blyksnių trukmė yra 1 ns, o pasikartojimo laikotarpis yra apie 100 ns ), tada, ištyrus tokios spinduliuotės sąveikos su medžiaga ypatybes, galima nustatyti esamą medžiagos būseną su atitinkama laiko skiriamąja geba. Tai yra, tuo metu, kai detonacija tęsiasi, ištirkite cheminių procesų, vykstančių detonacijos fronto judėjimo zonoje, pobūdį, detonacinių nanodeimantų augimo dinamiką ir kitus specialistus dominančius efektus.

Pirmoji eksperimentinė stotis „Detonacija“ buvo įrengta saugojimo įrenginyje VEPP-3, o vėliau pradėjo veikti antroji stotis VEPP-4 saugykloje: naujoje kameroje atsirado galimybė tirti užtaisų, kurių masė viršija, detonaciją. iki 200 g.Dabar ši stotis modernizuojama: planuojama tirti galingų lazerio plazmos impulsų įtaką konstrukcinėms medžiagoms. Žinių apie šiuos procesus reikės projektuojant būsimus termobranduolinius reaktorius.

Kitos vartotojų stotys nuolat atnaujinamos. Taigi, įdiegus naujus fokusuojančius lęšius, buvo galima pagerinti rentgeno fluorescencinės elementų analizės erdvinę skiriamąją gebą, kurios pagalba galima nustatyti ne tik mėginio cheminę sudėtį, bet ir erdvinę. atskirų elementų paskirstymas. Ir nors negalime konkuruoti su kitais sinchrotronų centrais šioje srityje, vis dėlto mums pavyko gauti daug įdomių rezultatų. Pavyzdžiui, Rusijos mokslų akademijos Sibiro filialo Irkutsko limnologijos instituto darbuotojai atrado dugno nuosėdų elementinės sudėties „atsaką“ į klimato pokyčius, tokius kaip Milankovitch ciklai, o tai leidžia naudoti SR paleoklimatui tirti. . Panašūs darbai dabar atliekami ir Altajaus ežerų, ypač ežero, dugno nuosėdose. Teleckoje.

Kitas būdas tirti medžiagos būseną ekstremaliomis sąlygomis (esant itin aukštam kelių gigapaskalių slėgiui ir iki tūkstančio laipsnių temperatūrai) yra deimantinio priekalo metodas, kai mėginys užspaudžiamas tarp dviejų deimantinių taškų. Tokiu būdu galima pasiekti itin aukštą slėgį mažame tūryje, taip imituojant materijos elgesį dideliame gylyje, mantijoje ar net Žemės centre. Šios stoties „savininkas“ yra Novosibirsko kietojo kūno chemijos institutas SB RAS.

Vario plauko paslaptis

Apie autorius

Polosmak Natalija Viktorovna

Trunova Valentina Aleksandrovna– chemijos mokslų kandidatas, vardo Neorganinės chemijos instituto vyresnysis mokslo darbuotojas. A. V. Nikolajevas SB RAS (Novosibirskas).

Rentgeno spindulių fluorescencinė organinių medžiagų analizė naudojant sinchrotroninę spinduliuotę, taikoma archeologiniams radiniams, leidžia pakelti paslapties šydą nuo seniai istorinę areną palikusių tautų gyvenimo.

Prie tokių tautų priskiriami senovės pazyrykų žmonės: „užšalę“ šios kultūros kapai, datuojami IV-ojo amžiaus pabaigoje – III amžiaus pradžioje. pr. Kr e., buvo atrasti 1990 m. Altajaus Respublikos Ukoko plynaukštėje (Polosmak, 1994, 2001; Molodin, 2001). Archeologijos istorijoje tokie palaidojimai yra tikrai retas ir brangus radinys, nes visas kapų turinys, įskaitant žmonių mumijas ir organinius daiktus, puikiai išsilaikęs senovinio ledo storyje. Tarp nuostabių radinių iš Pazyryko piliakalnių ypač pažymėtini palaidotų žmonių plaukai ir nagai, kurių elementari kompozicija gali tarnauti kaip savotiška „cheminė“ jų gyvenimo kronika, kaip medžio metiniai žiedai.

Senovės pazyrykų žmonių plaukų analizės duomenys iš kapinynų Ak-Alakha 3 ir Verkh-Kaldzhin 2 parodė neįprastai didelį vario kiekį ir Cu / Zn santykį, atsižvelgiant į didelį lyties ir amžiaus skirtumą (Polosmak ir kt., Trunova, Zvereva, 2010). Mažiausia šio elemento koncentracija užfiksuota tarp vaikų, didžiausia – tarp vyrų. Kaip žinoma, vario perteklius organizme gali išprovokuoti rimtas sveikatos problemas, tokias kaip diabetas, aterosklerozė, kepenų liga, Alzheimerio liga ir kiti neurodegeneraciniai sutrikimai. Gali būti, kad šis veiksnys prisidėjo prie pazyrykų gyventojų gyvenimo trukmės, kuri tariamai neviršijo keturiasdešimties metų.

Bet iš kur atsirado šis vario perteklius? Remiantis turimais duomenimis, buvo iškelta hipotezė, kad šio reiškinio priežastis slypi ne aplinkos sąlygose, o kultūrinėje tradicijoje rūkyti kanapes iš bronzinių smilkalų, o tai patvirtino ir kanapių analizė iš smilkinio, aptikto viename iš didieji Pazyryko piliakalniai. Įkvėpdami kanapių garų žmonės pamažu apsinuodijo vario garais, o didesnė vario koncentracija vyrų plaukuose rodo didesnį rūkymo dažnumą ir trukmę visą gyvenimą.

Visai kitokie rezultatai buvo gauti analizuojant plaukus ir kitas organines medžiagas iš Xiongnu pilkapių Noin Ula kalnuose Šiaurės Mongolijoje. Šiuose mėginiuose rasta padidėjusi daugelio metalų: vario, geležies, mangano koncentracija. Skirtingai nuo „užšalusių“ pazyrykų kapų, visi Xiongnu palaidojimų objektai ilgą laiką buvo skystame ežeriniame molyje, naudotame piliakalnio statybai. Sudėtingi tyrimai, naudojant daugybę metodų, naudojant sinchrotroninę spinduliuotę, parodė, kad šiuo atveju drėgnoje aplinkoje cheminiai elementai pernešami iš metalinių objektų į netoliese esančias organines medžiagas (Trunova ir kt., 2014; 2015).

Tarp naujausių mūsų pasiekimų yra „metrologinė“ stotis „COSMOS“, skirta palydovinei įrangai išbandyti, ir „FLAME“, kuri kuriama kartu su SB RAS Novosibirsko Cheminės kinetikos ir degimo institutu ir skirta tyrimams atlikti. tokios greitos cheminės reakcijos kaip degimas.

Tačiau BINP vieta „sinchrotroninės spinduliuotės pasaulyje“ neapsiriboja paprasto dalyvio vaidmeniu - tam tikru mastu jis taip pat yra aktyvus jo kūrėjas. BINP praktiškai tapo pasauliniu monopolistu kurdama superlaidžius wigglers – daugiapolius magnetus, sukuriančius kintamą periodinį magnetinį lauką, kurie įrengiami tiesiuose elektronų kaupimo įrenginių tarpeliuose, siekiant padidinti spinduliuotės intensyvumą. Tuo pačiu metu Novosibirsko fizikai ir inžinieriai teikia visą šio labai sudėtingo įrenginio gamybos ciklą – nuo ​​kūrimo ir gamybos iki bandymų ir surinkimo vietoje. Šiandien visame pasaulyje, nuo Australijos ir Brazilijos iki Amerikos, dirba daugiau nei 20 Novosibirsko vitrinų. Institutas sukūrė, pagamino ir tiekė superlaidžius prietaisus beveik visiems pasaulio sinchrotroninės spinduliuotės centrams, įskaitant Japoniją. Pavasaris-8, italų ELETTRA, kanadietis CLS, Brazilijos ir Australijos sinchrotronai ir vienintelis specializuotas sinchrotroninės spinduliuotės šaltinis Rusijoje – Kurchatovo sinchrotronas Maskvoje.

Dabar instituto grupė, dirbanti su wiggleriais, vėl orientuojasi į banglenčių gamybą – superlaidžius įrenginius, turinčius daug polių ir mažą magnetinį lauką. Skirtingai nei vingiuose, šiuose įrenginiuose atskirų polių spinduliavimas vyksta koherentiniu režimu, dėl kurio galima gauti žymiai didesnio spektrinio ryškumo monochromatinę spinduliuotę. Tokiais įrenginiais domisi visi šiuolaikiniai centrai. Pavyzdžiui, su britais buvo sudaryta preliminari sutartis dėl bendro darbo šioje srityje DLS.

Pagrindinė Sibiro sinchrotrono ir terahercinės spinduliuotės centro problema buvo ir išlieka nuosavo specializuoto SR šaltinio trūkumas, o per pastaruosius dešimt metų buvo pasiūlyti bent penki (!) skirtingi jo sukūrimo variantai. Visi tam reikalingi komponentai, tokie kaip patirtis, technologijos ir gamyba, yra prieinami BINP. Trūksta tik planuoto finansavimo.

Reikia pasakyti, kad naujausia naujojo šaltinio versija nuo visų ankstesnių (ir atmestų) skiriasi tuo, kad yra kuo ekonomiškesnė. Projekte numatyta naudoti esamą tunelį, kuriame šiuo metu yra VEPP-3. Taip pat planuojama išplėsti esamą eksperimentinę salę, kurioje bus įrengtos naujos vartotojų stotys. Numatyta kaip skleidžiančius įrenginius panaudoti superlaidųjį wigglerį ir porą superlaidžių dipolių magnetų: speciali žiedo magnetinė struktūra apjungs ypatingą kompaktiškumą su galimybe optimizuoti spindulių ryškumą.

Šiandien Sibiro sinchrotroninės ir terahercinės spinduliuotės centre veikia 12 sinchrotroninės spinduliuotės stočių ir 4 terahercinės spinduliuotės stotys. Pagrindiniai centro tikslai ir uždaviniai – vykdyti fundamentinius ir taikomuosius fizikos, chemijos (įskaitant katalizę), biologijos, medicinos, ekologijos, geologijos, medžiagotyros tyrimus, taip pat naujų metodų ir technologijų kūrimą bei specializuotų radiacijos šaltinių ir naujų eksperimentinių stočių.

Baigdamas noriu pažymėti, kad per pastaruosius dešimtmečius pasaulyje smarkiai išaugo susidomėjimas mokslo sankirtoje atliekamais tyrimais, o mūsų akademiniame centre susiformavo savotiška multidisciplininė mokslo bendruomenė, vienijanti tyrėjus iš Lietuvos institutų. Novosibirsko akademinis miestas ir kiti mokslo centrai. Didelis šių specialistų susidomėjimas tyrimais, atliekamais naudojant SR, garantuoja begalinį tyrimų medžiagos srautą, gynybą, publikacijas ir, žinoma, itin efektyvų visų turimų metodų ir instaliacijų panaudojimą. Naujuoju SR šaltiniu turėtų susidomėti ir Novosibirsko valstybinis universitetas: visų gamtos mokslų specialybių studentai gali atlikti praktiką mūsų sinchrotronų centre, kaip tai daroma daugelyje kitų pasaulio universitetų.

BINP jau seniai užsitarnavo teisę nebebūti „batsiubiu be batų“, o Sibiro sinchrotrono ir teraherco spinduliuotės centras gauti savo specializuotą SR šaltinį, kurio jam skubiai reikia. Ir tam dabar tereikia suplanuoto centralizuoto finansavimo ir politinės valios. Nepaisant visko, išliekame optimistiški ir tikime ateitimi.

Macai ar karsto rankenos?

Apie autorius

Natalija Viktorovna Polosmak– Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas, istorijos mokslų daktaras, Archeologijos ir etnografijos instituto SB RAS (Novosibirskas) vyriausiasis mokslo darbuotojas. Rusijos Federacijos valstybinės premijos laureatas (2004).

Konstantinas Eduardovičius Kuperis– fizinių ir matematikos mokslų kandidatas, vardo Branduolinės fizikos instituto vyresnysis mokslo darbuotojas. G.I.Budkera SB RAS ir Bendro kolektyvinio naudojimo centras „Sibiro sinchrotrono ir terahercinės spinduliuotės centras“ (Novosibirskas).

Didelė rentgeno spinduliuotės skverbimosi galia suteikė tyrėjams unikalų įrankį objektams tirti jų nesunaikinant, todėl tokie tyrimai dažnai yra vienintelis būdas tirti objektų vidinę sandarą tokiose mokslo srityse kaip medicina, geologija, archeologija ir kt. Rentgeno mikroskopija taip pat leido gauti duomenis apie objekto struktūrą su mikronų ir submikronų skiriamąja geba per sekundės dalį. Branduolinės fizikos institute. G.I.Budker SB RAS (Novosibirskas) dar aštuntajame dešimtmetyje pradėjo tirti rentgeno mikroskopiją naudojant sinchrotroninę spinduliuotę, tačiau eksperimentinė instaliacija „Rentgeno fazinė kontrastinė mikroskopija ir mikrotomografija“, pagrįsta moderniais skaitmeniniais detektoriais ir rentgeno optiniais elementais, galima žymiai padidinti erdvinę skiriamąją gebą , veikia nuo 2005 m.

Taikant aibę technikų, įskaitant rentgeno ir elektronų skenavimo mikroskopiją, taip pat rentgeno struktūrinę analizę, buvo ištirtas vienas paslaptingiausių Xiongnu pilkapiuose aptiktų objektų – masyvūs variniai strypai suapvalintais galais.

Pirmasis Noin-Ulos pilkapių tyrinėtojas P.K.Kozlovas savo ataskaitose ir dienoraščio įrašuose nepaliko jokių prielaidų apie šiuos metalinius daiktus. Vėliau A. N. Bernštamas, o po jo S. I. Rudenko, laikė juos bronziniais „chi“ klubais - artimos kovos ginklais, kurių aprašymą galima rasti rašytiniuose Kinijos šaltiniuose (Rudenko, 1962). Neseniai, remiantis Xiongnu piliakalnio Tzaram slėnyje Užbaikalijoje, kasinėjimų rezultatais, buvo pasiūlyta, kad šie strypai buvo „turėklai“, kurie buvo pritvirtinti prie karsto sienų „odinėmis virvelėmis, kurioms geležis“ į karstą buvo įkalti žiedai su smaigaliu“ (Miniajevas, 2010, p. 18). Iki šiol daugelis archeologų pritarė šiai nuomonei, nors iki šiol kai kurie tyrinėtojai šiuos artefaktus ir toliau laiko Xiongnu ginkluotės elementais: „su tokia mase buvo galima duoti stulbinantį smūgį į priešo galvą“ (Nikonorovas, Chudjakovas). , 2004, p. 64).

Pastaraisiais metais atlikti Noin-Ulos piliakalnių kasinėjimai situaciją nepaaiškino, o tik komplikavo. Taip 2012 metais panašus varinis strypas buvo rastas ant vidinės laidojimo kameros grindų po šilko tekstilės sluoksniu. Ir nors karstas šiame piliakalnyje buvo visiškai išsaugotas, jo sienose nebuvo rasta jokių skylių ar geležinių žiedų pėdsakų (Polosmak ir kt., 2013). Tačiau tvirtinimo turėklų ant karsto sienų pėdsakų neaptikta ir kitų žinomų karstų radinių Xiongnu kapuose atveju, nors panašių metalinių strypų randama beveik visuose elitiniuose Siongnu didikų palaidojimuose.

Šių daiktų pripažinimas karsto turėklais niekaip nepaaiškina fakto, kad juos gaminant buvo panaudota labai sudėtinga technologija: po išoriniu bronziniu apvalkalu jie slepia geležinę šerdį, tai pastebėjo S. I. Rudenko. Be to, dviejuose palaidojimuose rasti tik ploni geležiniai strypai be vario apvalkalo (Polosmak, Bogdanov, 2009; Treasures.., 2011). Naujausio radinio autoriai teigė, kad „šis geležinis strypas gali būti susijęs su bronza dengtais geležiniais strypais, rastais kituose elitiniuose Xiongnu kapuose, tačiau dėl šių strypų paskirties vis dar diskutuojama“ (Miller ir kt., 2009, p. 309). .

Unikalių radinių tyrimas naudojant sinchrotroninę spinduliuotę parodė, kad varis, dengiantis artefaktą, nusėdo pilant iš lydalo į liejimo formą, o tai liudija nuosėdos gaminio viduje. Porėta apvalkalo struktūra rodo praktiškai momentinį vario kietėjimą liejimo tiglio korpuse. Šiuo atveju vidinis plieninis strypas buvo užspaustas liejimo formos galuose tarp dviejų ketaus plokščių.

Remiantis rentgeno spindulių difrakcijos analize vidiniame plieniniame strype, buvo nustatytas cementito (geležies karbidas Fe 3 C) ir ferito (α-Fe) fazių santykis ir atitinkamai anglies kiekis plieniniame strypelyje, kuris keitėsi. 0,1–0,4 % ribose. Visiškai daugiakryptė ferito ir cementito kristalitų orientacija parodė, kad mėginyje nėra mechaninių įtempių.

Plieninėje šerdyje rasta smulkių (mažiau nei 0,1 proc.) mangano, nikelio ir vario priemaišų, o sidabro (0,5 proc.), švino (0,3 proc.), stibio ir alavo (ne daugiau 0,1 proc.) – smulkių priemaišų. Šių priemaišų buvimas gana būdingas geležies ir vario rūdoms.

Vario apvalkale buvo pastebėti apvalios lydytos formos vario sulfido (Cu 2 S) mikroinkliuzai, kurių būdingi dydžiai 20–30 μm. Vario sulfidas gamtoje yra paplitęs mineralinio chalkocito pavidalu, kuris, matyt, buvo naudojamas kaip rūda. Norint gauti vario iš susmulkintos chalkocito rūdos, reikalingas deguonies prapūtimas 1200–1300 °C temperatūroje, o tai reikalauja sudėtingos metalurgijos gamybos, įskaitant specialiai įrengtą krosnį su silfonais (Hauptmann, 2000).

Plieno mėginiuose rasti mikroinkliuzai (vistitas, fajalitas ir amorfizuotas kvarcas) yra šlako likučiai ir būdingi uolienų geležies gamybai (Buchwald ir kt., 2000). Fajalitas yra inkliuzuose fazės, perkristalizuotos iš lydalo su šarminių ir šarminių žemių metalų oksidų priemaišomis, pavidalu, o kadangi jo lydymosi temperatūra yra 1100–1200 °C, šis faktas rodo, kad geležis buvo gauta tos pačios temperatūros sąlygos kaip vario.

Visi inkliuzai turi būdingą orientaciją išilgai strypo, o tai akivaizdžiai priklauso nuo plieninio strypo kalimo krypties. Paprastai, gaminant kaltinę geležį, karbonizuojama daugiausia išorinė pusė, todėl plieno anglies kiekis turi būdingą kryptį ir patenka į gaminamo gaminio centrą. Tačiau mūsų atveju to nepaisoma, todėl galime daryti prielaidą, kad strypas buvo nukaltas iš kito plieno objekto.

Deja, net ir tokia išsami informacija apie šiuos paslaptingus artefaktus neleido tiksliai nustatyti jų paskirties. Įdomu tai, kad Kinijoje tokių bimetalinių objektų neaptikta nė viename Hanų palaidojime, o kinų rašytiniuose šaltiniuose apie „karsto rankenas“ neužsimenama. Todėl gali būti, kad jie priklausė išskirtinai Xiongnu kultūrai ir buvo sukurti tik jiems. Kita vertus, šių daiktų paskirtis gali būti gana utilitarinė: karstai buvo nuleidžiami į gilias elitinių kapų šachtas, naudojant gervę ir, ko gero, šie daiktai buvo konstrukcijos iš virvių ir diržų, laikančių karstą, dalis. norimą padėtį. Įrengus karstą laidojimo kameroje, strypai kartu su diržais liko šalia jo. Daugelyje kultūrų visi laidotuvių apeigose naudojami daiktai lieka kape – jų grįžimas į gyvųjų pasaulį laikomas pavojingu.

Literatūra
1. Kozlovas P.K. Mongolų-Tibeto ekspedicijos dienoraščiai 1923–1924 // Mokslinis paveldas. T. 30. Sankt Peterburgas: Nauka, 2003. 1037 p.
2. Rudenko S.I. Hunų kultūra ir Noin-Ula pilkapiai. M.; L.: SSRS mokslų akademijos leidykla, 1962. 203 p.
3. Polosmak N.V., Bogdanov E.S., Tsevendorzh D. Dvidešimtasis Noin-Ula piliakalnis. Novosibirskas: Infolio, 2011. 184 p.
4. Polosmak N.V., Bogdanov E.S. Noin-Ula piliakalnio Nr. 31 (Šiaurės Mongolija) tyrimas // Sibiro ir gretimų teritorijų archeologijos, etnografijos, antropologijos problemos. Archeologijos ir etnografijos instituto metinės sesijos medžiaga SB RAS. Novosibirskas: leidykla IAET SB RAS, 2009. T. XV. 372–376 p.

Sinchrotroninė spinduliuotė

- vienas iš tipų: elektromagnetinė spinduliuotė. bangos, kurias sukelia įkrautos dalelės (erdvėje, daugiausia elektronai), judančios magnetiniame lauke reliatyvistiniu greičiu. lauke H. Pirmą kartą jis buvo pastebėtas elektronų greitintuvuose – sinchrotronuose. Magn. laukas išlenkia elektronų trajektoriją (žr.), ir dėl to atsirandantis reiškinio pagreitis. sukelti el.-magn. radiacija. Šis mechanizmas dažnai naudojamas radijo, optiniam paaiškinimui. ir rentgenas įvairiausių kosminių spindulių šaltiniai.

Panaši nereliatyvistinių dalelių spinduliuotė (žr.) atsiranda pagrindu. giromagnetinis dažnis ir jo pirmosios harmonikos (q ir m – dalelės krūvis ir ramybės masė).

Įkrautų reliatyvistinių dalelių spinduliavimas, t.y. dalelės, judančios artimu šviesos greičiui, turi nemažai reikšmingų skirtumų nuo lėtųjų dalelių spinduliavimo. Dėl Doplerio efekto sparčiai judančios dalelės jos judėjimo kryptimi skleidžiamos šviesos dažnis labai padidėja, o spinduliavimo intensyvumas esant didelėms harmonikoms. Reliatyvistinėms dalelėms, turinčioms energiją, spinduliuotė aukštų harmonikų srityje turi beveik ištisinį spektrą ir yra sutelkta momentinio greičio kryptimi siaurame kūgiame su atsidarymo kampu.

Reliatyvistinis elektronas, judantis magnetu. laukas, apibūdina arba apskritimą (jei jis neturi greičio komponento išilgai lauko), arba spiralę. Jo sukimosi dažnis mag. laukas H yra
. (1)

Siauras kūgis, kuriame yra elektronų spinduliuotė, sukasi kartu su elektrono momentinio greičio vektoriaus sukimu (pav.). Tai reiškia, kad stebėtojas, esantis elektrono orbitos plokštumoje, mato spinduliuotės blyksnius tais laiko momentais, kai elektrono greitis yra nukreiptas į jį. Blyksniai seka tam tikrais laiko intervalais, kiekvieno blyksnio trukmė.

Kadangi blyksnių pasikartojimo dažnis yra gana didelis, stebėtojas praktiškai mato nuolatinį spinduliavimą. Maks. galia S.i. vienas elektronas vieneto dažnių diapazone apytiksliai. dažniai [žr (3)] ​​ir erdvinio kampo vienetu yra lygus:
, (2)
kur H išreiškiamas E. Esant žemesniems dažniams, spinduliuotė mažėja kaip, o aukštesniuose – eksponentiškai.

S.i. turi svarbių savybių. Stebėtojui, esančiam tiksliai elektrono orbitos plokštumoje, spinduliuotė yra tiesiškai poliarizuota elektrine poliarizacija. vektorius, esantis orbitos plokštumoje. Tam tikru kampiniu atstumu nuo šios plokštumos poliarizacija yra elipsinė, abiejose plokštumos pusėse skirtingi ženklai Be to, elipsiškai poliarizuotos spinduliuotės intensyvumas yra nereikšmingas. Apskaičiuojant elektronų sistemos spinduliavimo vidurkį, lieka tik tiesinė poliarizacija. Kitaip tariant, reliatyvistinių elektronų, esančių vienalyčiame magnetiniame lauke, sistema. laukas, suteikia tiesiškai poliarizuotą S.i. su elektra vektorius, statmenas magnetiniam laukui.

Jei visi elektronai turėtų maždaug vienodą energiją, tada šios sistemos emisijos spektras būtų maksimalus esant dažniui
(Hz). (3)
Kosmose sąlygomis reliatyvistiniai elektronai turi skirtingą energiją. Dažniausiai elektronų energijos pasiskirstymas aproksimuojamas galios funkcija, t.y. elektronų skaičius N vienete tūris su energija nuo E iki:
, (4)
Kur K ir – pastovus.

S.i. vienetų tūris vienetiniame erdvės kampe ir vieneto dažnio intervale (vadinamoji spinduliuotė) nustatoma pagal ryšį:
, (5)
kur yra skaitinis koeficientas, priklausantis nuo, artimas 0,1–0,2. Šios spinduliuotės tiesinės poliarizacijos laipsnis lygus . Dydis vadinamas S.i.

Jei reliatyvistinių elektronų koncentracija nėra per didelė, tai spinduliavimo intensyvumas nustatomas pagal f-le, kur l- spinduliuotės srities dydis. Esant didelei elektronų koncentracijai, būtina atsižvelgti į jų savaiminę absorbciją. Santykio koeficientas spinduliuotė iki koeficiento absorbcija:
, (6)
kur yra skaitinis koeficientas. keičiasi nuo 0,7 iki 0,1.