Synchrotrónové žiarenie v oblasti röntgenového žiarenia. Synchrotrónové žiarenie: pojem, základy, princíp a zariadenia na štúdium, použitie

Spektrum synchrotrónového žiarenia nie je také veľké. To znamená, že sa dá rozdeliť iba na niekoľko typov. Ak je častica nerelativistická, potom sa takéto žiarenie nazýva cyklotrónová emisia. Ak sú na druhej strane častice relativistického charakteru, potom sa žiarenie vyplývajúce z ich interakcie niekedy nazýva ultrarelativistické. Synchrónna emisia môže byť dosiahnutá buď umelo (v synchrotrónoch alebo akumulačných prstencoch) alebo prirodzene rýchlymi elektrónmi pohybujúcimi sa cez magnetické polia. Takto produkované žiarenie má charakteristickú polarizáciu a generované frekvencie sa môžu meniť v celom elektromagnetickom spektre, ktoré sa nazýva aj kontinuálne žiarenie.

Otvorenie

Tento jav bol pomenovaný po synchrotrónovom generátore General Electric postavenom v roku 1946. Jeho existenciu oznámili v máji 1947 vedci Frank Elder, Anatoly Gurevich, Robert Langmuir a Herb Pollock v liste „Radiation from Electrons in a Synchrotron“. Bol to však iba teoretický objav, o prvom skutočnom pozorovaní tohto javu sa dočítate nižšie.

Zdroje

Keď sú častice s vysokou energiou urýchľované, vrátane elektrónov nútených sledovať zakrivenú dráhu magnetickým poľom, vzniká synchrotrónové žiarenie. Ide o obdobu rádiovej antény, avšak s tým rozdielom, že teoreticky relativistická rýchlosť zmení pozorovanú frekvenciu v dôsledku Dopplerovho javu na Lorentzov koeficient γ. Kontrakcia relativistickej dĺžky potom zasiahne frekvenciu pozorovanú druhým faktorom γ, čím sa zvýši frekvencia GHz rezonančnej dutiny, ktorá urýchľuje elektróny v oblasti röntgenového žiarenia. Vyžarovaný výkon je určený relativistickým Larmorovým vzorcom a sila na emitovaný elektrón je určená Abrahámovou-Lorentzovou-Diracovou silou.

Iné vlastnosti

Vzor žiarenia môže byť skreslený z izotropného dipólového vzoru do extrémne smerového kužeľa žiarenia. Synchrotrónové elektrónové žiarenie je najjasnejším umelým zdrojom röntgenového žiarenia.

Zdá sa, že geometria rovinného zrýchlenia spôsobuje, že emisia je lineárne polarizovaná pri pozorovaní v orbitálnej rovine a kruhovo polarizovaná, keď je pozorovaná pod malým uhlom k tejto rovine. Amplitúda a frekvencia sú však sústredené na polárnu ekliptiku.

Zdrojom synchrotrónového žiarenia je aj zdroj elektromagnetického žiarenia (EM), čo je zásobný prstenec vytvorený na vedecké a technické účely. Toto žiarenie neprodukujú len akumulačné prstence, ale aj iné špecializované urýchľovače častíc, zvyčajne urýchľujúce elektróny. Akonáhle sa vytvorí vysokoenergetický elektrónový lúč, je nasmerovaný na pomocné komponenty, ako sú ohýbacie magnety a vkladacie zariadenia (vlny alebo wigglery). Poskytujú silné magnetické polia, kolmé lúče, ktoré sú potrebné na premenu vysokoenergetických elektrónov na fotóny.

Aplikácie synchrotrónového žiarenia

Hlavnými oblasťami použitia synchrotrónového svetla sú fyzika kondenzovaných látok, veda o materiáloch, biológia a medicína. Väčšina experimentov využívajúcich synchrotrónové svetlo zahŕňa štúdium štruktúry hmoty od subnanometrovej úrovne elektronickej štruktúry až po mikrometrovú a milimetrovú úroveň, ktorá je dôležitá pre lekárske zobrazovanie. Príkladom praktickej priemyselnej aplikácie je výroba mikroštruktúr pomocou procesu LIGA.

Synchrotrónové žiarenie je tiež generované astronomickými objektmi, zvyčajne tam, kde relativistické elektróny špirálovite (a preto menia rýchlosť) prostredníctvom magnetických polí.

Príbeh

Toto žiarenie prvýkrát objavil v rakete Messier 87 v roku 1956 Geoffrey R. Burbidge, ktorý to považoval za potvrdenie predpovede Josepha Shklovského z roku 1953, ale už skôr ho predpovedali Hannes Alfvén a Nikolai Herlofson v roku 1950. Slnečné erupcie urýchľujú častice, ktoré sú emitované týmto spôsobom, ako navrhol R. Giovanolli v roku 1948 a kriticky to opísal Piddington v roku 1952.

Priestor

Navrhnuté na vytvorenie synchrotrónového žiarenia tlačením prúdov vytvorených gravitačne zrýchlenými iónmi cez superkortové „rúrkové“ polárne oblasti magnetických polí. Takéto výtrysky, najbližšie z nich v Messier 87, boli identifikované Hubblovým teleskopom ako superluminálne signály pohybujúce sa frekvenciou 6 × s (šesťnásobok rýchlosti svetla) z nášho planetárneho rámca. Tento jav je spôsobený tým, že prúdy sa pohybujú veľmi blízko rýchlosti svetla a vo veľmi malom uhle k pozorovateľovi. Pretože vysokorýchlostné prúdy vyžarujú svetlo v každom bode svojej dráhy, svetlo, ktoré vyžarujú, sa nepribližuje k pozorovateľovi oveľa rýchlejšie ako samotný prúd. Svetlo vyžarované počas stoviek rokov cestovania tak k pozorovateľovi dorazí za oveľa kratší čas (desať alebo dvadsať rokov). V tomto fenoméne nedochádza k porušeniu špeciálnej teórie relativity.

Nedávno boli objavené pulzné emisie gama žiarenia z hmloviny s jasmi až ≥ 25 GeV, pravdepodobne v dôsledku synchrotrónovej emisie z elektrónov zachytených v silnom magnetickom poli okolo pulzaru. Triedou astronomických zdrojov, kde je dôležitá synchrotrónová emisia, sú hmloviny pulzarového vetra alebo plérióny, ktorých archetypálne sú Krabia hmlovina a jej pridružený pulzar. Polarizácia v Krabej hmlovine pri energiách medzi 0,1 a 1,0 MeV je typické synchrotrónové žiarenie.

Stručne o výpočtovej technike a kolidéroch

V rovniciach na túto tému sa často píšu špeciálne pojmy alebo hodnoty, ktoré symbolizujú častice, ktoré tvoria takzvané rýchlostné pole. Tieto pojmy predstavujú účinok statického poľa častice, ktoré je funkciou zložky jej pohybu, ktorá má nulovú alebo konštantnú rýchlosť. Na rozdiel od toho druhý člen padá ako prevrátená hodnota prvej mocniny vzdialenosti od zdroja a niektoré členy sa nazývajú akceleračné pole alebo pole žiarenia, pretože sú zložkami poľa vyplývajúceho zo zrýchlenia náboja (zmena rýchlosti ).

Vyžarovaný výkon sa teda mení ako energia štvrtej mocniny. Toto žiarenie obmedzuje energiu elektrón-pozitrónového kruhového urýchľovača. Typicky sú protónové urýchľovače namiesto toho obmedzené maximálnym magnetickým poľom. To je dôvod, prečo má napríklad Veľký hadrónový urýchľovač energiu ťažiska 70-krát vyššiu ako ktorýkoľvek iný urýchľovač častíc, aj keď je hmotnosť protónu 2000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu.

Terminológia

Rôzne oblasti vedy majú často rôzne spôsoby definovania pojmov. Žiaľ, v oblasti röntgenového žiarenia viaceré pojmy znamenajú to isté ako „žiarenie“. Niektorí autori používajú termín „jas“, ktorý sa kedysi používal na označenie fotometrického jasu alebo sa nesprávne používal na označenie rádiometrického žiarenia. Intenzita sa vzťahuje na hustotu výkonu na jednotku plochy, ale pre röntgenové zdroje zvyčajne znamená jas.

Mechanizmus výskytu

Synchrotrónové žiarenie sa môže v urýchľovačoch vyskytovať buď ako nepredvídaná chyba spôsobujúca nežiaduce straty energie v kontexte fyziky častíc, alebo ako zámerne vytvorený zdroj žiarenia pre početné laboratórne aplikácie. Elektróny sú urýchľované na vysoké rýchlosti v niekoľkých stupňoch, aby dosiahli konečnú energiu, ktorá je zvyčajne v rozsahu gigaelektrónvoltov. Elektróny sú nútené pohybovať sa po uzavretej dráhe silnými magnetickými poľami. Je to podobné ako rádiová anténa, ale rozdiel je v tom, že relativistická rýchlosť mení pozorovanú frekvenciu v dôsledku Dopplerovho javu. Relativistická Lorentzova kompresia ovplyvňuje gigahertzovú frekvenciu, čím ju znásobuje v rezonančnej dutine, ktorá urýchľuje elektróny do oblasti röntgenového žiarenia. Ďalším dramatickým účinkom relativity je, že obrazec žiarenia je skreslený z izotropného dipólového obrazca očakávaného z nerelativistickej teórie na extrémne smerový kužeľ žiarenia. Vďaka tomu je difrakcia synchrotrónového žiarenia najlepším spôsobom na vytváranie röntgenových lúčov. Plochá geometria zrýchlenia spôsobuje, že žiarenie je lineárne polarizované pri pozorovaní v orbitálnej rovine a vytvára kruhovú polarizáciu, keď je pozorované v malom uhle k tejto rovine.

Použitie v rôznych oblastiach

Prvé zariadenia

Spočiatku sa na generovanie tohto žiarenia používali ohýbacie elektromagnety v urýchľovačoch, ale niekedy sa na vytvorenie silnejšieho svetelného efektu používali aj iné špecializované zariadenia nazývané vkladacie zariadenia. Techniky synchrotrónovej difrakcie žiarenia (tretia generácia) sa zvyčajne spoliehajú na zdrojové zariadenia, kde priame časti úložného prstenca obsahujú periodické magnetické štruktúry (obsahujúce viacero magnetov vo forme striedajúcich sa pólov N a S), ktoré spôsobujú pohyb elektrónov v sínusovej alebo špirálovej dráhe. . Namiesto jediného ohybu teda mnoho desiatok či stoviek „zákrutov“ v presne vypočítaných polohách pripočítava alebo násobí celkovú intenzitu lúča. Tieto zariadenia sa nazývajú wigglery alebo undulátory. Hlavným rozdielom medzi undulátorom a wigglerom je intenzita ich magnetického poľa a amplitúda odchýlky od priamej dráhy elektrónov. Všetky tieto zariadenia a mechanizmy sú teraz uložené v Synchrotron Radiation Center (USA).

Extrakcia

Úložné zariadenie má otvory, ktoré umožňujú časticiam uniknúť z radiačného pozadia a sledovať čiaru lúča do vákuovej komory experimentátora. Veľké množstvo takýchto lúčov by mohlo pochádzať z moderných zariadení synchrotrónového žiarenia tretej generácie.

Elektróny môžu byť extrahované zo samotného urýchľovača a uložené v pomocnej UHV magnetickej zásobnej nádrži, odkiaľ môžu byť získané (a kde môžu byť replikované) veľakrát. Magnety v prstenci musia tiež opakovane stláčať lúč proti „Coulombovým silám“ (alebo jednoduchšie povedané vesmírnym nábojom), ktoré majú tendenciu ničiť zväzky elektrónov. Zmena smeru je forma zrýchlenia, pretože elektróny produkujú žiarenie s vysokou energiou a vysokou rýchlosťou zrýchlenia v urýchľovači častíc. Od tejto rýchlosti spravidla závisí aj jas synchrotrónového žiarenia.

Žiarenie h-cs pohybujúcich sa v striedavom prúde. elektrický a mag. polia, tzv undulátorové žiarenie. S. a. v dôsledku zrýchlenia spojeného so zakrivením trajektórií h-c v magnetickom poli. lúka. Podobné žiarenie nie je relatívne. h-ts, pohybujúce sa po kruhových alebo špirálových trajektóriách, tzv. cyklotrónové žiarenie; deje sa to na zaklade gyromagnetická frekvencia a jej prvé harmonické. S rastúcou rýchlosťou sa zvyšuje úloha vysokých harmonických; pri približovaní sa k príbuznému. limitné žiarenie v oblasti max. intenzívne vysoké harmonické má takmer spojité spektrum a je sústredené v smere okamžitej rýchlosti do úzkeho kužeľa s uhlom otvorenia y=mc2/?, kde m a? - a energie h-tsy.

kde e - h-tsy, H^ - zložka horčíka. polia kolmé na rýchlosť h-tsy. Silná závislosť emitovaného výkonu od hmotnosti častice robí S. a. max. nevyhnutné pre ľahké h-ts-el-novy a pozitróny. Spektrálny (podľa frekvencie n) vyžiarený výkon je určený výrazom:

K5/3(h) - valcový funkciu druhého druhu imaginárneho argumentu. Harmonogram funkcií

znázornené na obr. Charakteristická frekvencia, ktorá predstavuje maximum v emisnom spektre častice, je rovnaká (v Hz):

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

Radiačná odd. Častice sú vo všeobecnosti elipticky polarizované s hlavnou osou polarizačnej elipsy umiestnenou kolmo na viditeľnú magnetickú projekciu. poliach. Stupeň elipticity a smer rotácie vektora elektrickej intenzity. polia závisia od smeru pozorovania vzhľadom na kužeľ opísaný vektorom rýchlosti častice okolo magnetického smeru. poliach. Pre pozorovacie smery ležiace na tomto kuželi lineárne.

Prvýkrát S. a. pozorované v cyklickom elektrónové urýchľovače (v synchrotróne, preto dostal názov „S. i.“). Energetické straty na S. p., ako aj spojené s S. a. kvantový. účinky v pohybe c-c je potrebné vziať do úvahy pri navrhovaní cyklického. vysokoenergetické urýchľovače elektrónov. S. a cyklické. urýchľovače elektrónov sa používajú na vytváranie intenzívnych lúčov polarizovaných elektrónových magnetov. žiarenie v UV oblasti spektra a v „mäkkej“ röntgenovej oblasti. žiarenie; Röntgenové lúče S. a. používa sa najmä v röntgenovej štruktúrnej analýze.

Veľkým záujmom je S. a. priestor objekty, najmä netepelný rádiofón Galaxie, netepelný rádiový a optický. žiarenie z diskrétnych zdrojov (supernovy, pulzary, kvazary, rádiové galaxie). Synchrotrónovú povahu týchto žiarení potvrdzujú vlastnosti ich spektra a polarizácie. Podľa moderných reprezentácie, relatívne. el-ny, ktoré sú súčasťou kozmického žiarenia, dávajú S. a. vo vesmíre mag. polia v rádiovom, optickom a možno aj röntgenovom rozsahu. Merania. intenzita a polarizácia priestoru. S. a. umožňujú získať informácie o koncentrácii a energii. relatívne spektrum el-new, veľkosť a smer magnet. polia v odľahlých častiach vesmíru.

Fyzický encyklopedický slovník. - M.: Sovietska encyklopédia. . 1983 .

SYNCHROTRONOVÉ ŽIARENIE

- magnetické brzdné žiarenie emitované relativistickými nábojmi. častice v homogénnom magnetickom poli. lúka. Emisia častíc vlnitým žiarením. S. a. v dôsledku zrýchlenia častíc, ktoré sa objaví, keď sú ich trajektórie zakrivené v magnetickom poli. lúka. Podobné žiarenie z nerelativistických častíc, kde T - pokojová hmotnosť, - energia častíc.

Celková sila žiarenia častice s energiou sa rovná kde e - náboj častice je magnetická zložka. pole kolmé na jeho rýchlosť. Rozdelenie vyžiareného výkonu je teda určené výrazom

kde , a je valcové. funkciu druhého druhu imaginárneho argumentu. Charakteristická frekvencia, ktorá zodpovedá maximu v emisnom spektre častice:

Radiačná odd. Častice sú vo všeobecnosti elipticky polarizované, pričom hlavná os polarizačnej elipsy je umiestnená kolmo na viditeľnú magnetickú projekciu. poliach. Stupeň elipticity a smer rotácie vektora elektrickej intenzity. polia závisia od smeru pozorovania vzhľadom na kužeľ, polarizácia žiarenia je lineárna.

Prvýkrát S. a. predpovedal A. Schott (A. Schott, 1912) a pozoruje sa cyklicky. urýchľovače elektrónov (v synchrotróne, preto sa to nazýva röntgenová štrukturálna analýza, röntgenová spektroskopia atď.

Väčší záujem je S. a. priestor objekty, najmä netepelný rádiofón Galaxie, netepelný rádiový a optický. žiarenie z diskrétnych zdrojov (supernovy, pulzary, kvazary, rádiové galaxie). Synchrotrónovú povahu týchto žiarení potvrdzujú vlastnosti ich spektra a polarizácie. Relativistické elektróny, ktoré sú súčasťou kozmu. lúče, do kozmického mag. polia dávajú synchrotrónnu zložku kozm. žiarenie v rádiovom, optickom a röntgenovom žiarení. Lit.: Sokolov A. A., Ternov I. M., Relativistický, M., 1974; Kulipanov G.N., SKRINSKY A.N., Použitie synchrotrónového žiarenia: stav a vyhliadky, UFN, 1977, v. 122, v. 3; Synchrotrónové žiarenie. Vlastnosti a aplikácie, prekl. z angličtiny, M., 1981. S. I. Syrovatskij.

Fyzická encyklopédia. V 5 zväzkoch. - M.: Sovietska encyklopédia. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1988 .

Pozrite sa, čo je „SYNCHROTRON RADIATION“ v iných slovníkoch:

SYNCHROTRONOVÉ ŽIARENIE, vo fyzike PRÚD ELEKTROMAGNETICKÉHO ŽIARENIA produkovaného vysokoenergetickými ELEKTRÓNMI, neustále zvyšujúcimi rýchlosť pri pohybe v MAGNETICKOM POLI. Synchrotrónové žiarenie môže mať formu röntgenových lúčov... ... Vedecko-technický encyklopedický slovník

- (magnetobremsstrahlung) vyžarovanie elektromagnetických vĺn nabitými časticami pohybujúcimi sa relativistickými rýchlosťami v magnetickom poli, ktoré ohýba ich trajektórie. Prvýkrát pozorovaný v synchrotróne (odtiaľ názov) ... Veľký encyklopedický slovník

synchrotrónové žiarenie- Nrk. svetelný elektrón Optické žiarenie, ktoré vzniká, keď sa relativistické elektróny pohybujú po zakrivenej dráhe. Poznámka Termín možno použiť na označenie procesov žiarenia aj výsledkov žiarenia. [Kolekcia...... Technická príručka prekladateľa

Elektromagnetické žiarenie Synchrotron ... Wikipedia

Pojem synchrotrónové žiarenie Pojem v angličtine synchrotrónové žiarenie Synonymá magnetické brzdné žiarenie Skratky SI Súvisiace pojmy EXAFS, XAFS Definícia brzdné žiarenie emitované relativisticky nabitými časticami v ... ... Encyklopedický slovník nanotechnológie

Magnetobremsstrahlung žiarenie, vyžarovanie elektromagnetických vĺn nabitými časticami pohybujúcimi sa relativistickými rýchlosťami v magnetickom poli. Žiarenie je spôsobené zrýchlením spojeným so zakrivením trajektórií častíc v magnetickom poli.... ... Veľká sovietska encyklopédia

- (magnetické brzdné žiarenie), elektromagnetické žiarenie, ktoré vyžarujú nabité častice pohybujúce sa v homogénnom magnetickom poli. poľa pozdĺž zakrivených trajektórií s relativistickými rýchlosťami. S. a. bol prvýkrát pozorovaný v synchrotróne (odtiaľ názov). Hlavná... ... Chemická encyklopédia

Emisia elektromagnetických vĺn nabitých časticami pohybujúcimi sa relativistickými rýchlosťami v magnetickom poli, ktoré ohýba ich trajektórie. Prvýkrát pozorovaný v synchrotróne (odtiaľ názov). * * * SYNCHROTRON ŽIARENIE SYNCHROTRON... ... encyklopedický slovník

Elektromagnetické žiarenie vyžarované elektricky nabitou časticou pohybujúcou sa v magnetickom poli rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Názov je spôsobený skutočnosťou, že takéto žiarenie bolo prvýkrát pozorované v synchrotrónových jadrových urýchľovačoch.... ... Astronomický slovník

synchrotrónové žiarenie- sinchrotroninis spinduliavimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektringųjų dalelių, kertančių magnetinį lauką greičiu, beveik lygiu šviesos greičiui, sukeltas elektromagnetinis spinduliavimas. atitikmenys: angl. zrýchlenie žiarenia; ...... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

knihy

• Synchrotrónové žiarenie. Metódy na štúdium štruktúry látok, Fetisov Gennadij Vladimirovič. Čo je synchrotrónové žiarenie (SR), ako vzniká a aké má jedinečné vlastnosti? Čo je nové v porovnaní s röntgenovými lúčmi z röntgenových trubíc dokáže...

Synchrotrónové žiarenie

Animácia

Popis

Synchrotrónové (magnetobremsstrahlung) žiarenie je vyžarovanie elektromagnetických vĺn nabitými časticami pohybujúcimi sa relativistickou rýchlosťou v rovnomernom magnetickom poli. Synchrotrónové žiarenie je spôsobené zrýchlením spojeným so zakrivením trajektórií častíc v magnetickom poli. Podobné žiarenie z nerelativistických častíc pohybujúcich sa po kruhových alebo špirálových trajektóriách sa nazýva cyklotrónové žiarenie; vyskytuje sa pri základnej gyromagnetickej frekvencii a jej prvých harmonických. So zvyšujúcou sa rýchlosťou častíc sa zvyšuje úloha vysokých harmonických; Pri približovaní sa k relativistickej hranici má žiarenie v oblasti najintenzívnejších vysokých harmonických takmer súvislé spektrum a sústreďuje sa v smere okamžitej rýchlosti do úzkeho kužeľa s uhlom otvorenia:

kde m a e sú hmotnosť a energia častice.

Celková sila žiarenia častice s energiou sa rovná:

kde e je náboj častice;

Sila zložky magnetického poľa kolmá na rýchlosť častice.

Silná závislosť emitovaného výkonu od hmotnosti častice robí synchrotrónové žiarenie nevyhnutným pre ľahké častice - elektróny a pozitróny. Spektrálne (podľa frekvencie n) rozdelenie emitovaného výkonu je určené výrazom:

,

Kde ;

K 5/3 (h) je cylindrická funkcia druhého druhu imaginárneho argumentu.

Graf funkcie , t.j. bezrozmerné spektrálne rozloženie je znázornené na obr. 1.

Bezrozmerné spektrálne rozloženie synchrotrónového žiarenia

Ryža. 1

x je bezrozmerná frekvencia normalizovaná na frekvenciu synchrotrónu.

Charakteristická frekvencia, pri ktorej sa maximum vyskytuje v emisnom spektre častice, sa rovná (v Hz):

Žiarenie jednotlivých častíc je vo všeobecnosti elipticky polarizované s hlavnou osou polarizačnej elipsy umiestnenou kolmo na viditeľnú projekciu magnetického poľa. Stupeň elipticity a smer rotácie vektora intenzity elektrického poľa závisia od smeru pozorovania vzhľadom ku kužeľu opísanému vektorom rýchlosti častice okolo smeru magnetického poľa. Pre pozorovacie smery ležiace na tomto kuželi je polarizácia lineárna.

Časovacie charakteristiky

iniciačný čas (log do -9 až -6);

Životnosť (log tc od -9 do 6);

Čas degradácie (log td od -9 do -6);

Čas optimálneho vývoja (log tk od -1 do 5).

Diagram:

Technické implementácie efektu

Technická realizácia efektu

Účinok sa realizuje vo výkonných urýchľovačoch nabitých častíc - synchrotrónoch a cyklotrónoch.

Použitie efektu

Prvýkrát bolo synchrotrónové žiarenie pozorované v cyklických urýchľovačoch elektrónov (v synchrotróne, preto dostal názov „synchrotrónový žiarič“). Pri navrhovaní cyklických vysokoenergetických elektrónových urýchľovačov je potrebné brať do úvahy energetické straty na synchrotrónovom žiariči, ako aj kvantové efekty v pohybe častíc spojené so synchrotrónovým žiarením. Synchrotrónový žiarič cyklických elektrónových urýchľovačov sa používa na vytváranie intenzívnych zväzkov polarizovaného elektromagnetického žiarenia v ultrafialovej oblasti spektra a v oblasti „mäkkého“ röntgenového žiarenia; Röntgenové synchrotrónové lúče žiarenia sa používajú najmä v Röntgenová štrukturálna analýza.

Veľmi zaujímavé je synchrotrónové žiarenie kozmických objektov, najmä netepelného rádiofónu Galaxie, netepelného rádia a optického žiarenia z diskrétnych zdrojov ( supernovy, pulzary, kvazary, rádiové galaxie). Synchrotrónovú povahu týchto žiarení potvrdzujú vlastnosti ich spektra a polarizácie. Podľa moderných koncepcií relativistické elektróny, ktoré sú súčasťou kozmického žiarenia, produkujú synchrotrónové žiarenie v kozmických magnetických poliach v rádiooptickom, prípadne v röntgenovej oblasti. Meranie spektrálnej intenzity a polarizácie kozmického synchrotrónového žiarenia umožňuje získať informácie o koncentrácii a energetickom spektre relativistických elektrónov, veľkosti a smere magnetických polí v odľahlých častiach Vesmíru.

Príklad. Elektronický synchrotrón.

Elektronický synchrotrón je prstencový rezonančný urýchľovač elektrónov (pozitrónov) o energiách od niekoľkých MeV do desiatok GeV, pri ktorom sa nemení frekvencia zrýchľujúceho sa elektrického poľa, časom sa zväčšuje vedúce magnetické pole a nemení sa rovnovážna dráha. počas akceleračného cyklu. Typicky sú elektróny už po injekcii ultrarelativistické; ak zrýchlenie začína energiami Ј 5 - 7 MeV, potom sa na začiatku cyklu zrýchlenia použije režim zrýchlenia betatrónu (pozri Betatron).

Dráhy elektrónov (pozitrónov) urýchlených v synchrotróne vypĺňajú prstencovú oblasť vo vákuovej komore urýchľovača. Častice, ktoré v ňom cirkulujú, sa opakovane vracajú do rovnakých zrýchľovacích medzier, na ktoré sa privádza striedavé napätie s frekvenciou celočíselného počtu q (q і 1) prevyšujúcou frekvenciu otáčania častíc na takzvanej rovnovážnej dráhe. . Číslo q sa nazýva faktor zrýchlenia. Pri každom prechode medzerou zostáva fáza ideálnej (rovnovážnej) častice nezmenená, ale fáza reálnych častíc sa mierne mení, osciluje okolo rovnovážnej (synchrónnej) hodnoty. Počas zrýchlenia sa zväzok častíc rozpadá na zhluky - trsy, ktoré vypĺňajú určitú oblasť blízko hodnôt synchrónnej fázy. Maximálny počet zhlukov na obežnej dráhe je q.

Trajektória častíc v elektrónovom synchrotróne je ohýbaná pomocou dipólových magnetov, ktoré vytvárajú vedúce (rotačné) magnetické pole. Na zaostrenie častíc v moderných elektrónových synchrotrónoch sa zvyčajne používajú polia s veľkým gradientom magnetickej indukcie (tvrdé alebo silné zaostrovanie). Funkcie ohýbania a zaostrovania magnetického poľa môžu byť kombinované (magnety s kombinovanými funkciami) alebo oddelené (magnetický systém s oddelenými funkciami). V druhom prípade ohybové magnety (ohýbanie trajektórie častíc) vytvárajú rovnomerné polia. Magnetická indukcia v ohybových magnetoch (a jej derivát v magnetických šošovkách) počas cyklu zrýchlenia neustále rastie (najčastejšie mnohonásobne) v súlade so zvýšením hybnosti zrýchlených častíc.

V zakrivených úsekoch trajektórie vyžarujú zväzky elektrónov (pozitrónov) synchrotrónové žiarenie, ktorého okamžitý výkon na elektrón je určený vzorcom:

kde e je náboj častice;

g je jej Lorentzov faktor (pomer celkovej energie častice k jej pokojovej energii);

R(s) - polomer zakrivenia trajektórie v oblasti so súradnicou s.

Výkon rozptýlený na otáčku je úmerný . Pri vysokých energiách častíc môžu straty žiarenia dosahovať niekoľko MeV za otáčku. Na zníženie strát je potrebné zväčšiť veľkosť elektrónového synchrotrónu, čo je spojené so zvýšením nákladov na ich konštrukciu. Rozmery reálnych elektrónových synchrotrónov (niekedy až km) sú určené rozumným kompromisom medzi prevádzkovými (hlavne vo forme elektriny) a kapitálovými nákladmi. Radiačné straty musia byť kompenzované, preto je výhodné uskutočniť proces urýchľovania elektrónov rýchlo, pri relatívne malom počte otáčok (rýchlo cyklujúce elektrónové synchrotróny). Špičkový výkon urýchľovacieho vysokofrekvenčného systému elektrónového synchrotrónu pri energii desiatok GeV môže dosiahnuť ~1 MW.

Literatúra

1. Fyzika. Veľký encyklopedický slovník. - M.: Veľká ruská encyklopédia, 1999.

2. Nový polytechnický slovník.- M.: Veľká ruská encyklopédia, 2000.

Kľúčové slová

• synchrónne žiarenie
• nabité častice
• relativistický pohybový zákon
• rovnomerné magnetické pole
• žiarenie elektromagnetických vĺn

Sekcie prírodných vied:

Konstantin Zolotarev, Pavel Piminov
„Veda z prvej ruky“ č. 2(62), 2015

Takmer pred polstoročím vynikajúci ruský fyzik G.I.Budker, zakladateľ Novosibirského inštitútu jadrovej fyziky, ktorý predložil a realizoval myšlienku zvýšenia energie interakcie častíc pomocou metódy zrážky lúčov, tzv. urýchľovače nabitých častíc mikroskopy modernej fyziky, pretože umožňujú posúdiť štruktúru pozorovaného objektu z obrázka, ktorý na ňom rozptýli prúd častíc, len nie svetelné kvantá ako v mikroskope, ale vysokoenergetické častice. S nárastom maximálnych energií urýchľovačov sa začala skutočná revolúcia v teórii elementárnych častíc a vnútrojadrových interakcií, ktorá trvá dodnes, ktorej význam pre vedu a prax je ťažké preceňovať.

• „SPACE“ a „FLAME“ (A. Nikolenko)
• Záhada medených vlasov (N. Polosmák, V. Trunová)
• Palcáty alebo rukoväte rakvy? (N. Polosmak, K. Cooper)

Koordinovať úsilie zamerané na rozvoj výskumu so SR, efektívne využívanie zdrojov SR a zvyšovanie kvalitatívnej úrovne výskumu, dňa 1.12.1981 na báze urýchľovacích zariadení a laboratórií Ústavu jadrovej fyziky Sibírskej pobočky hl. Akadémie vied ZSSR, vzniklo Sibírske centrum pre synchrotrónové žiarenie, v roku 1991 sa transformovalo na Sibírske medzinárodné centrum synchrotrónového žiarenia (SibMCSR) je otvorené laboratórium ústavu, na činnosti ktorého sa môžu podieľať ruské a zahraničné organizácie a jednotlivci . V roku 2003 začala fungovať 1. etapa voľného elektrónového lasera a v roku 2005 bolo centrum kolektívneho použitia premenované na Sibírske centrum synchrotrónového a terahertzového žiarenia (SCSTR).

Hoci sa teda v BINP experimenty využívajúce zväzky synchrotrónového žiarenia uskutočňovali už od roku 1973, stále sa na tieto účely využívajú – o viac ako štyridsať rokov neskôr! - Používajú sa VEPP-3 / VEPP-4, t.j. málo jasné zdroje SR 1. generácie pracujúce v oblasti röntgenového žiarenia (vlnová dĺžka od 0,01 do 1 nm) a energiou lúča 2 alebo 4 GeV.

Treba poznamenať, že spustením 1. etapy voľného elektrónového lasera, zdroja silných lúčov terahertzového žiarenia v roku 2003, sa výskumný arzenál ústavu zásadne rozšíril, ale neodstránil sa tým problém vytvorenia výkonnejšieho SR zdroj novej generácie, umožňujúci prácu v röntgenovom rozsahu.

Dnes je na svete niekoľko desiatok veľkých výskumných centier so zdrojmi synchrotrónového žiarenia 3. generácie, ako napr. Diamantový svetelný zdroj, Švajčiarsko Švajčiarsky svetelný zdroj, francúzsky Soleil a ďalšie a ďalšie dva „svetlé“ zdroje sú americké NSLS-2 a švédsky MAX-IV- sú momentálne v stave spustenia. Všetky tieto centrá sú žiadané a fungujú na maximálnu kapacitu; Zorganizovali expertné systémy na prideľovanie „času lúča“: na konkurenčnom základe pre výskumníkov a na platenom základe pre ostatných používateľov. Typickými platiacimi zákazníkmi sú veľké farmaceutické spoločnosti, ktoré vyrábajú a testujú nové lieky – čo je obrovský, trvalý a nákladný podnik.

BINP nemôže konkurovať veľkým centrám na „hlavných cestách“ – nemáme rovnaké charakteristiky nosníkov, ktoré by boli konkurencieschopné na „veľkom trhu“. A ak má niektorý z domácich vedcov alebo technológov konkrétnu, vážnu úlohu – napríklad testovať nový liek, potom je pre neho jednoduchšie ísť do Anglicka alebo Francúzska, do Európskeho centra pre synchrotrónové žiarenie ( ESRF), ktorej účastníkom je aj naša krajina.

História synchrotrónového žiarenia

Ale magnetické brzdné žiarenie, ktoré vyžarovali nabité častice pohybujúce sa relativistickými rýchlosťami v magnetickom poli urýchľovačov, sa spočiatku zdalo byť nešťastným vedľajším produktom urýchľovacieho procesu, pretože znamenalo veľké straty energie, ktoré bolo potrebné kompenzovať. Keďže takéto žiarenie bolo prvýkrát pozorované v synchrotróne - cyklickom rezonančnom urýchľovači, začalo sa nazývať synchrotrón, hoci jeho zdrojom môže byť v zásade akékoľvek zariadenie, ktoré vychyľuje nabité častice.

Synchrotrónové žiarenie (SR) však prekvapivo rýchlo prešlo „z Popolušky k princeznej“ a táto transformácia bola spôsobená takými vlastnosťami jeho „charakteru“, ako je veľká šírka spektra žiarenia – od infračerveného po tvrdé röntgenové lúče, vysoký stupeň smerovosť a polarizácia a periodicita v nanosekundách, mierka a napokon väčší výkon (hoci posledné uvedené vlastnosti sú už zásluhou špecializovaných zariadení, ktoré ho generujú). Myšlienku využitia žiarenia relativistických častíc vyslovil už v roku 1947 ruský teoretický fyzik a budúci laureát Nobelovej ceny V.L. Ginzburg a počas nasledujúceho polstoročia sa synchrotrónové žiarenie stalo univerzálnym a veľmi účinným nástrojom na pochopenie okolitého prostredia. sveta.

Existujú tri generácie zdrojov synchrotrónového žiarenia. Prvá zahŕňa synchrotróny a akumulačné krúžky určené pre fyziku vysokých energií; do druhej - akumulačné krúžky, navrhnuté špeciálne ako zdroje SR. Žiarenie v týchto zdrojoch je zvyčajne generované vychyľovacími magnetmi a keďže je nasmerované tangenciálne k trajektórii častíc, ako napríklad svetlomety áut v zákrute, lúč má vejárovitý lúč s veľkým uhlom rozptylu.

Tretia generácia obsahuje úložné krúžky s dlhými rovnými medzerami a zabudovanými magnetickými štruktúrami so striedavou polaritou, ktoré generujú synchrotrónové žiarenie s menšou veľkosťou lúčov, vyššou intenzitou a oveľa vyšším spektrálnym jasom. Posledný indikátor je najdôležitejším parametrom, pretože určuje množstvo užitočného toku fotónov. Vďaka sústredenej práci urýchľovačov sa jasnosť zdrojov RTG SR každých desať rokov zvyšovala o tri rády! Napriek tomu aj v najmodernejších SR zdrojoch je hodnota „užitočných“ fotónov len tisícinou celkového svetelného toku, preto v poslednom desaťročí globálna fyzická komunita aktívne pracuje na projektoch pre SR zdroje nových, štvrtá, generácia.

Napriek tomu je aj pre naše ďaleko od „mladých“ zdrojov dosť práce, výskumnej aj rutinnej technologickej. Napríklad pracovníci Ústavu katalýzy SB RAS neustále analyzujú vzorky nových katalyzátorov, ktoré sa plánujú uviesť do priemyselnej výroby. Ale našou hlavnou výhodou je možno to, že na BINP si synchrotrónové žiarenie do značnej miery zachovalo svoj pôvodne neregulovaný status vyhľadávacieho nástroja, s ktorým môže takmer každý zainteresovaný vedec otestovať svoj, aj keď trochu „šialený“ nápad.

V tomto zmysle je veľmi dôležité, že naše zdroje SR sa nachádzajú v tak nezvyčajnom infraštruktúrnom zariadení, akým je Novosibirsk Akademgorodok, teda vo veľkom multidisciplinárnom prostredí. A tí istí archeológovia, ktorí sú ďaleko od fyziky, sa napríklad môžu takmer „susedom“ obrátiť na nás a analyzovať akýkoľvek artefakt, ktorý ich zaujíma. Koniec koncov, nové poznatky zvyčajne vznikajú ako výsledok kombinácie unikátnych používateľských vzoriek a adekvátnych výskumných nástrojov, ktoré je možné implementovať pomocou SI.

"SPACE" a "FLAME"

Synchrotrónová radiačná stanica COSMOS bola vytvorená v roku 2007 v spolupráci so Štátnym optickým inštitútom (St. Petersburg). A prvou prácou, ktorá sa tu vykonala, bola kalibrácia „Space Solar Patrol“ - súbor vesmírnych spektrometrov vytvorených v tomto inštitúte. Tieto prístroje sú navrhnuté tak, aby monitorovali slnečnú emisiu v mäkkých röntgenových a extrémnych ultrafialových (EUV) rozsahoch – informácie, ktoré sú rozhodujúce pre štúdie vplyvu slnečnej aktivity na rôzne pozemské procesy, od počasia až po biológiu. Takéto spektrometre nemôžu pracovať v pozemských podmienkach, pretože atmosféra neprepúšťa žiarenie požadovaného rozsahu, ale musia byť testované na Zemi.

Takto sa objavila naša stanica - malý kúsok „vesmíru“, uzavretý vo vákuovej komore, do ktorej prichádza synchrotrónové žiarenie z urýchľovača VEPP-4. Kombinácia vysokého vákua a silných tokov žiarenia vytvára v experimentálnych objemoch stanice podmienky, ktoré sú podobné podmienkam v blízkozemskom priestore.

Synchrotrónové žiarenie poskytuje tok fotónov v širokom spektrálnom rozsahu – od viditeľného žiarenia až po tvrdé röntgenové žiarenie. Na výber fotónov s požadovanou energiou z neho je na stanici inštalovaný monochromátor s difrakčnými mriežkami a viacvrstvovými zrkadlami. Teraz používame viacvrstvové zrkadlá vlastnej výroby, ale v budúcnosti plánujeme prejsť na optiku z Inštitútu fyziky mikroštruktúr Nižného Novgorodu - lídra vo výrobe takejto optiky v Rusku, známeho vo svetovej vedeckej komunite. COSMOS je dnes jedinou domácou stanicou synchrotrónového žiarenia pracujúcou pre potreby metrológie v oblasti mäkkého röntgenu a EUV.

Teraz je v našom experimentálnom „priestore“ nainštalovaná technologická vzorka satelitného zariadenia z Moskovského inštitútu aplikovanej geofyziky (Moskva), vytvoreného v NPO Typhoon (Obninsk). Toto zariadenie bude umiestnené na solárnom paneli vesmírnej stanice, čo zabezpečí jej stálu orientáciu smerom k Slnku. Pravidlá vesmírnej technickej akceptácie vyžadujú pre takéto zariadenia povinnú kalibráciu a sme to my, kto dáva zariadeniu veľmi potrebný „lístok na satelit“. Naša stanica je zároveň jedinou inštaláciou v Rusku, kde je možné vykonať takúto kalibráciu vesmírnych zariadení.

V súčasnosti pracujeme na kalibračnej technike na prototype, no do jesene očakávame príchod zariadenia, ktoré by sa malo dostať na obežnú dráhu.

Na stanici prebiehajú aj ďalšie metrologické práce: testujú sa tu optické prvky pracujúce v rozsahu EUV, ktoré je možné použiť pre najnovšie technológie vo výrobe nanoelektroniky, ale aj detektory určené na sledovanie laserovej plazmy pri experimentoch na riadených termonukleárna fúzia. Plazma generuje veľmi krátke a jasné záblesky röntgenového žiarenia a aby neoslepol, detektor musí mať vysokú rýchlosť a nízku citlivosť. Takéto parametre detektora mimoriadne sťažujú jeho kalibráciu na iných inštaláciách, ako je naša.

Rovnaký výstupný kanál synchrotrónového žiarenia, na ktorom je inštalovaná stanica COSMOS, sa používa aj pre ďalšiu stanicu s „hovoriacim“ názvom „FLAME“, ktorá sa teraz vytvára v spolupráci s Novosibirským inštitútom chemickej kinetiky a spaľovania. Úlohou kolegov z VŠCHT SB RAS je zostaviť zariadenie so zabudovaným horákom na vytvorenie plameňa, nainštalovať a spustiť analyzačné zariadenie. Naším cieľom je vytvoriť zväzok synchrotrónového žiarenia s požadovanými parametrami, dostatočne výkonný a „čistý“ v spektrálnom zložení, ktorý bude slúžiť ako jemne vyladený nástroj na selektívnu ionizáciu splodín horenia.

Plameň je veľmi zložitý jav: medzi začiatkom vznietenia organickej hmoty a jej premenou na konečné produkty (ideálne voda a oxid uhličitý) dochádza k tisíckam rôznych chemických reakcií. Na organizáciu správneho, najefektívnejšieho a ekologického spaľovacieho procesu je potrebná starostlivá štúdia medzistupňov reakcie. Typicky sa elektrónový lúč používa na ionizáciu reakčných produktov, ale jeho častice nie sú dostatočne energeticky „zarovnané“ a jeho použitie ako testovacieho lúča má svoje obmedzenia. Synchrotrónové žiarenie je v tomto zmysle výrazne odlišné k lepšiemu: s jeho pomocou bude možné špecificky prelomiť prísne definované chemické väzby vo vnútri molekúl, čo umožní nielen určiť chemické látky vznikajúce pri spaľovaní, ale dokonca rozlíšiť medzi izoméry rovnakého zloženia!

Naša „FLAME“ sa stane treťou takouto synchrotrónovou stanicou na svete po USA a Číne a prvou v Rusku. Očakáva sa, že prvým skúmaným objektom bude bionafta – obnoviteľný nosič energie, ktorý nenarúša rovnováhu skleníkových plynov v atmosfére.

Okrem toho vytvárame a používame metódy, ktoré sa v zásade ťažko rozvíjajú vo veľkých synchrotrónových centrách, a to aj z dôvodu administratívnych a organizačných obmedzení. Príkladom je štúdium detonačných procesov so submilisekundovým časovým rozlíšením v špeciálnej výbušnej komore umiestnenej priamo na výstupnom kanáli synchrotrónového žiarenia. Pretože synchrotrónové žiarenie nevychádza ako súvislý prúd, ale vo forme krátkych zábleskov, ktoré opakujú časovú štruktúru krátkych elektrónových zväzkov (v našom prípade je trvanie takýchto zábleskov 1 ns a doba opakovania je približne 100 ns ), potom štúdiom vlastností interakcie takéhoto žiarenia s hmotou je možné určiť aktuálny stav hmoty s primeraným časovým rozlíšením. To znamená, že v okamihu, keď detonácia pokračuje, študujte povahu chemických procesov, ktoré sa vyskytujú v zóne pohybu frontu detonácie, dynamiku rastu detonačných nanodiamantov a ďalšie účinky, ktoré sú zaujímavé pre odborníkov.

Prvá experimentálna stanica „Detonation“ bola inštalovaná na úložisku VEPP-3 a neskôr začala fungovať druhá stanica na úložisku VEPP-4: v novej komore bolo možné študovať detonáciu náloží s hmotnosťou až do 200 g Teraz sa táto stanica modernizuje: plánuje sa študovať vplyv silných laserových plazmových impulzov na konštrukčné materiály. Znalosti o týchto procesoch budú potrebné pri navrhovaní budúcich termonukleárnych reaktorov.

Ostatné užívateľské stanice sú neustále inovované. Vďaka inštalácii nových zaostrovacích šošoviek bolo teda možné zlepšiť priestorové rozlíšenie röntgenovej fluorescenčnej elementárnej analýzy, pomocou ktorej je možné určiť nielen chemické zloženie vzorky, ale aj priestorové rozloženie jednotlivých prvkov. A hoci v tejto oblasti nemôžeme konkurovať iným synchrotrónovým centrám, napriek tomu sa nám podarilo získať množstvo zaujímavých výsledkov. Napríklad pracovníci Irkutského limnologického ústavu Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied objavili „reakciu“ elementárneho zloženia dnových sedimentov na klimatické zmeny, ako sú Milankovičove cykly, čo umožňuje využiť SR na štúdium paleoklíma. Podobné práce sa teraz vykonávajú na dne sedimentov altajských jazier, najmä jazera. Teletskoye.

Ďalším spôsobom, ako študovať stav hmoty v extrémnych podmienkach (pri ultravysokých tlakoch niekoľkých gigapascalov a teplotách až tisíc stupňov), je metóda diamantovej nákovy, pri ktorej sa vzorka upne medzi dva diamantové hroty. Týmto spôsobom je možné dosiahnuť ultravysoké tlaky v malom objeme, čím sa simuluje správanie hmoty vo veľkých hĺbkach, v plášti alebo dokonca v strede Zeme. „Vlastníkom“ tejto stanice je Novosibirský inštitút chémie pevných látok SB RAS.

Záhada medených vlasov

O autoroch

Polosmak Natalya Viktorovna

Trunova Valentina Aleksandrovna- Kandidát chemických vied, vedúci výskumník na Ústave anorganickej chémie pomenovaný po. A. V. Nikolaev SB RAS (Novosibirsk).

Röntgenová fluorescenčná elementárna analýza organických materiálov pomocou synchrotrónového žiarenia, aplikovaná na archeologické nálezy, umožňuje poodhrnúť závoj tajomstva nad životom národov, ktoré už dávno opustili historickú arénu.

Medzi takéto národy patrí staroveký národ Pazyryk: „zamrznuté“ hroby tejto kultúry, pochádzajúce z konca 4. – začiatku 3. storočia. BC e., boli objavené v 90. rokoch 20. storočia. na náhornej plošine Ukok v Altajskej republike (Polosmak, 1994, 2001; Molodin, 2001). V dejinách archeológie predstavujú takéto pohrebiská skutočne vzácny a vzácny nález, keďže celý obsah hrobov vrátane ľudských múmií a organických predmetov je dokonale zachovaný v hrúbke starovekého ľadu. Medzi úžasnými nálezmi z pazyrykových pahorkov sú obzvlášť pozoruhodné vlasy a nechty pochovaných ľudí, ktorých elementárne zloženie môže slúžiť ako akási „chemická“ kronika ich života, ako napríklad letokruhy stromu.

Údaje z analýzy vlasov starovekých Pazyrykovcov z pohrebísk Ak-Alakha 3 a Verkh-Kaldzhin 2 ukázali abnormálne vysoký obsah medi a pomer Cu/Zn na pozadí veľkej rodovej a vekovej variability (Polosmak et al., Trunová, Zvereva, 2010). Najnižšia koncentrácia tohto prvku bola zaznamenaná u detí, najvyššia u mužov. Ako je známe, nadbytok medi v tele môže vyvolať vážne zdravotné problémy, ako je cukrovka, ateroskleróza, ochorenie pečene, Alzheimerova choroba a iné neurodegeneratívne poruchy. Je možné, že tento faktor prispel k očakávanej dĺžke života Pazyrykovcov, ktorá údajne nepresiahla štyridsať rokov.

Ale odkiaľ sa vzala táto prebytočná meď? Na základe dostupných údajov vznikla hypotéza, že príčina tohto javu nespočíva v podmienkach prostredia, ale v kultúrnej tradícii fajčenia konope z bronzových kahancov, čo potvrdila aj analýza konope z kadidelnice objavenej v jednej veľké pazyrykské mohyly. Vdychovaním výparov z konope sa ľudia postupne otrávili medenými výparmi a vyššia koncentrácia medi vo vlasoch mužov svedčí o vyššej frekvencii a dĺžke fajčenia počas celého života.

Celkom odlišné výsledky sa získali pri analýze vlasov a iných organických materiálov z mohyl Xiongnu v pohorí Noin Ula v severnom Mongolsku. V týchto vzorkách boli zistené zvýšené koncentrácie množstva kovov: medi, železa, mangánu. Na rozdiel od „zamrznutých“ hrobov Pazyrykovcov boli všetky predmety z pohrebísk Xiongnu dlhú dobu v tekutej jazernej hline použitej pri stavbe mohyly. Komplexné štúdie využívajúce množstvo techník využívajúcich synchrotrónové žiarenie ukázali, že v tomto prípade vo vlhkom prostredí dochádzalo k prenosu chemických prvkov z kovových predmetov na organické materiály nachádzajúce sa v blízkosti (Trunova et al., 2014; 2015).

Medzi naše najnovšie inovácie patrí „metrologická“ stanica „COSMOS“, určená na testovanie satelitných zariadení, a „FLAME“, ktorá vzniká v spolupráci s Novosibirským inštitútom chemickej kinetiky a spaľovania SB RAS a je určená na vykonávanie výskumu tak rýchlo. chemické reakcie ako spaľovanie.

Miesto BINP vo „svete synchrotrónového žiarenia“ sa však neobmedzuje len na rolu jednoduchého účastníka – do istej miery je aj jeho aktívnym staviteľom. BINP sa prakticky stal svetovým monopolom vo vytváraní supravodivých wigglerov - viacpólových magnetov, ktoré vytvárajú striedavé periodické magnetické pole, ktoré sú inštalované v rovných medzerách elektrónových zásobníkov na zvýšenie intenzity žiarenia. Novosibirskí fyzici a inžinieri zároveň zabezpečujú celý výrobný cyklus tohto veľmi zložitého zariadenia, od vývoja a výroby až po testovanie a montáž na mieste. Dnes pracuje viac ako 20 novosibirských wigglerov po celom svete, od Austrálie a Brazílie až po Ameriku. Inštitút vyvinul, vyrobil a dodal supravodivé zariadenia takmer do všetkých svetových centier synchrotrónového žiarenia vrátane Japonska. Jar-8, taliansky ELETTRA, kanadský CLS, brazílske a austrálske synchrotróny a jediný špecializovaný zdroj synchrotrónového žiarenia v Rusku - Kurčatov synchrotrón v Moskve.

Teraz sa skupina inštitútu pracujúca na wiggleroch preorientuje na výrobu vlnoviek – supravodivých zariadení s veľkým počtom pólov a nízkym magnetickým poľom. Na rozdiel od wigglerov sa v týchto zariadeniach žiarenie z jednotlivých pólov vyskytuje v koherentnom režime, vďaka čomu je možné získať monochromatické žiarenie s výrazne vyššou spektrálnou jasnosťou. Všetky moderné centrá majú záujem o takéto zariadenia. Napríklad s Britmi bola uzavretá predbežná dohoda o spoločnej práci v tejto oblasti DLS.

Hlavným problémom Sibírskeho centra pre synchrotrónové a terahertzové žiarenie bol a zostáva nedostatok vlastného špecializovaného zdroja SR, pričom za posledných desať rokov bolo navrhnutých minimálne päť (!) rôznych možností jeho vytvorenia. Všetky potrebné komponenty, ako sú skúsenosti, technológia a výroba, sú k dispozícii v BINP. Chýba len plánované financovanie.

Treba povedať, že najnovšia verzia nového zdroja sa od všetkých doterajších (a odmietnutých) líši tým, že je maximálne hospodárna. Projekt počíta s využitím existujúceho tunela, kde sa v súčasnosti nachádza VEPP-3. V pláne je aj rozšírenie existujúcej experimentálnej haly, kde budú umiestnené nové užívateľské stanice. Plánuje sa použiť supravodivý wiggler a pár supravodivých dipólových magnetov ako emitujúcich zariadení: špeciálna magnetická štruktúra prstenca bude spájať extrémnu kompaktnosť so schopnosťou optimalizovať jas lúčov.

Sibírske centrum pre synchrotrónové a terahertzové žiarenie dnes prevádzkuje 12 staníc synchrotrónového žiarenia a 4 stanice terahertzového žiarenia. Hlavnými cieľmi a zámermi centra je vykonávať základný a aplikovaný výskum vo fyzike, chémii (vrátane katalýzy), biológii, medicíne, ekológii, geológii, materiálovej vede, ako aj vývoj nových metód a technológií a vytváranie špecializovaných zdrojov žiarenia a nových experimentálnych staníc.

Na záver by som rád poznamenal, že za posledné desaťročia vo svete prudko vzrástol záujem o výskum realizovaný na priesečníku vied a v našom akademickom centre sa vytvorila akási multidisciplinárna vedecká komunita združujúca výskumníkov z ústavov tzv. Akademické mesto Novosibirsk a ďalšie vedecké centrá. Veľký záujem týchto odborníkov o výskum realizovaný pomocou SR zaručuje nekonečný prúd výskumných materiálov, obhajob, publikácií a samozrejme mimoriadne efektívne využitie všetkých dostupných metód a inštalácií. O nový zdroj SR by sa mala zaujímať aj Novosibirská štátna univerzita: v našom synchrotrónovom centre môžu stážovať študenti všetkých prírodovedných odborov, tak ako na mnohých iných univerzitách vo svete.

BINP si už dávno vyslúžilo právo prestať byť „obuvníkom bez čižiem“ a Sibírske centrum pre synchrotrónové a terahertzové žiarenie získať vlastný špecializovaný zdroj SR, ktorý súrne potrebuje. A na to teraz všetko, čo potrebujeme, je plánované centralizované financovanie a politická vôľa. Napriek všetkému zostávame optimistickí a veríme v budúcnosť.

Palcáty alebo rukoväte rakvy?

O autoroch

Natalya Viktorovna Polosmak- člen korešpondent Ruskej akadémie vied, doktor historických vied, hlavný vedecký pracovník Ústavu archeológie a etnografie SB RAS (Novosibirsk). Laureát štátnej ceny Ruskej federácie (2004).

Konštantín Eduardovič Cooper- Kandidát fyzikálnych a matematických vied, vedúci výskumný pracovník Ústavu jadrovej fyziky pomenovaný po. G.I. Budkera SB RAS a Stredisko zdieľaného kolektívneho použitia „Sibírske centrum pre synchrotrónové a terahertzové žiarenie“ (Novosibirsk).

Vysoká penetračná sila röntgenového žiarenia poskytla výskumníkom jedinečný nástroj na štúdium objektov bez ich zničenia, preto sú takéto štúdie často jediným spôsobom, ako študovať vnútornú štruktúru objektov v takých oblastiach vedy, ako je medicína, geológia, archeológia atď. Röntgenová mikroskopia tiež umožnila získať údaje o štruktúre objektu s mikrónovým a submikrónovým rozlíšením za zlomok sekundy. V Ústave jadrovej fyziky. G.I. Budker SB RAS (Novosibirsk) začal študovať röntgenovú mikroskopiu pomocou synchrotrónového žiarenia už v 70. rokoch 20. storočia, ale experimentálna inštalácia „Röntgenová fázová kontrastná mikroskopia a mikrotomografia“ založená na moderných digitálnych detektoroch a röntgenových optických prvkoch, je možné výrazne zvýšiť priestorové rozlíšenie, funguje od roku 2005.

Pomocou súboru techník, vrátane röntgenovej a elektrónovej skenovacej mikroskopie, ako aj röntgenovej štrukturálnej analýzy, bol študovaný jeden z najzáhadnejších objektov objavených v mohylách Xiongnu - masívne medené tyče so zaoblenými koncami.

Prvý výskumník noin-ulských pohrebísk P.K.Kozlov vo svojich správach a denníkových záznamoch nezanechal žiadne domnienky o týchto kovových predmetoch. Neskôr ich A. N. Bernshtam a po ňom S. I. Rudenko považovali za bronzové palice „chi“ – zbrane na boj zblízka, ktorých popis je dostupný v písomných čínskych prameňoch (Rudenko, 1962). Nedávno sa na základe výsledkov vykopávok mohyly Xiongnu v údolí Tzaram v Transbaikalii navrhlo, že tieto tyče boli „zábradlia“, ktoré boli pripevnené k stenám rakvy pomocou „kožených šnúr, na ktoré sa železo do truhly boli zapichnuté prstene s bodcom“ (Minyajev, 2010, s. 18). K dnešnému dňu mnohí archeológovia súhlasili s týmto názorom, aj keď dodnes niektorí výskumníci naďalej považujú tieto artefakty za položky zbraní Xiongnu: „s takým palcátom bolo možné zasadiť ohromujúci úder do hlavy nepriateľa“ (Nikonorov, Khudyakov , 2004, s. 64).

Vykopávky mohýl Noin-Ula, ktoré sa uskutočnili v posledných rokoch, situáciu neobjasnili, ale iba skomplikovali. Tak sa v roku 2012 našla podobná medená tyč na podlahe vnútornej pohrebnej komory pod vrstvou hodvábnych textílií. A hoci bola rakva v tejto mohyle úplne zachovaná, na jej stenách sa nenašli žiadne stopy po dierach či železných kruhoch (Polosmak et al., 2013). Stopy po upevňovacích madlách na stenách rakvy sa však v prípade iných známych nálezov rakiev v hroboch Xiongnu nenašli, hoci podobné kovové tyče sa nachádzajú takmer na všetkých elitných pohrebiskách šľachty Xiongnu.

Uznanie týchto predmetov ako zábradlia rakvy nijako nevysvetľuje skutočnosť, že na ich výrobu bola použitá veľmi zložitá technológia: pod vonkajším bronzovým plášťom ukrývajú železné jadro, čo zaznamenal S. I. Rudenko. Okrem toho sa na dvoch pohrebiskách našli len tenké železné prúty bez medenej škrupiny (Polosmak, Bogdanov, 2009; Poklady.., 2011). Autori najnovšieho nálezu naznačili, že „táto železná tyč môže súvisieť so železnými tyčami potiahnutými bronzom, ktoré sa našli v iných elitných pohrebiskách Xiongnu, ale účel týchto tyčí je stále predmetom diskusií“ (Miller et al., 2009, s. 309) .

Štúdium unikátnych nálezov pomocou synchrotrónového žiarenia ukázalo, že meď pokrývajúca artefakt bola uložená odlievaním z taveniny do odlievacej formy, o čom svedčia usadeniny na vnútornej strane výrobku. Porézna štruktúra plášťa naznačuje prakticky okamžité stuhnutie medi v tele odlievacieho téglika. V tomto prípade bola vnútorná oceľová tyč upnutá na koncoch v odlievacej forme medzi dve liatinové dosky.

Na základe röntgenovej difrakčnej analýzy vo vnútornej oceľovej tyči bol stanovený pomer fáz cementitu (karbid železa Fe 3 C) a feritu (α-Fe) a podľa toho aj obsah uhlíka v oceľovej tyči, ktorý sa menil. v rozmedzí 0,1–0,4 %. Absolútne viacsmerná orientácia feritových a cementitových kryštálov indikovala absenciu mechanického namáhania vo vzorke.

V oceľovom jadre boli nájdené malé nečistoty (menej ako 0,1 %) mangánu, niklu a medi a malé nečistoty striebra (0,5 %), olova (0,3 %), antimónu a cínu (nie viac ako 0,1 %). Prítomnosť týchto nečistôt je celkom typická pre železné a medené rudy.

V medenej škrupine boli zaznamenané mikroinklúzie sulfidu medi (Cu 2 S) zaobleného taveného tvaru s charakteristickými veľkosťami 20–30 μm. Sulfid meďnatý je v prírode bežný vo forme minerálu chalkocit, ktorý sa zrejme používal ako ruda. Na získanie medi z drvenej chalkocitovej rudy je potrebné preplachovanie kyslíkom pri teplotách 1200–1300 °C, čo si vyžaduje komplexnú metalurgickú výrobu vrátane špeciálne vybavenej pece vybavenej mechmi (Hauptmann, 2000).

Mikroinklúzie nájdené vo vzorkách ocele (wüstit, fayalit a amorfovaný kremeň) predstavujú zvyšky trosky a sú charakteristické pre výrobu horninového železa (Buchwald et al., 2000). Fayalit je prítomný v inklúziách vo forme fázy rekryštalizovanej z taveniny s nečistotami oxidov alkalických kovov a kovov alkalických zemín a keďže jeho teplota topenia leží v rozmedzí 1100–1200 °C, táto skutočnosť naznačuje, že železo bolo získané za rovnaké teplotné podmienky ako meď.

Všetky inklúzie majú charakteristickú orientáciu pozdĺž tyče, čo je samozrejme spôsobené smerom kovania oceľovej tyče. Pri výrobe tepaného železa je zvyčajne karburizovaná hlavne vonkajšia strana, takže obsah uhlíka v oceli má charakteristický smer a spadá do stredu vyrábaného predmetu. V našom prípade to však nie je dodržané, takže môžeme predpokladať, že tyč bola vykovaná z iného oceľového predmetu.

Žiaľ, ani takéto podrobné informácie o týchto záhadných artefaktoch neumožnili presne určiť ich účel. Je zaujímavé, že takéto bimetalové predmety sa nenašli v žiadnom z pohrebísk Han v Číne a v čínskych písomných prameňoch nie je žiadna zmienka o „rukovätiach rakvy“. Preto je možné, že patrili výlučne kultúre Xiongnu a boli vyrobené len pre nich. Na druhej strane, účel týchto predmetov mohol byť celkom utilitárny: rakvy sa spúšťali do hlbokých šachiet elitných hrobov pomocou navijaka a možno boli tieto predmety súčasťou konštrukcie z lán a pásov, ktoré podopierali rakvu v r. požadovanú polohu. Po inštalácii rakvy do pohrebnej komory zostali tyče spolu s popruhmi vedľa nej. V mnohých kultúrach zostávajú všetky predmety používané pri pohrebnom obrade v hrobe – ich návrat do sveta živých sa považuje za nebezpečný.

Literatúra
1. Kozlov P.K. Denníky mongolsko-tibetskej expedície 1923–1924 // Vedecké dedičstvo. T. 30. Petrohrad: Nauka, 2003. 1037 s.
2. Rudenko S.I. Kultúra Hunov a mohyly Noin-Ula. M.; L.: Vydavateľstvo Akadémie vied ZSSR, 1962. 203 s.
3. Polosmak N.V., Bogdanov E.S., Tsevendorzh D. Dvadsiata mohyla Noin-Ula. Novosibirsk: Infolio, 2011. 184 s.
4. Polosmak N.V., Bogdanov E.S. Štúdia mohyly Noin-Ula č. 31 (Severné Mongolsko) // Problémy archeológie, etnografie, antropológie Sibíri a priľahlých území. Materiály výročného zasadnutia Ústavu archeológie a etnografie SB RAS. Novosibirsk: Vydavateľstvo IAET SB RAS, 2009. T. XV. s. 372–376.

Synchrotrónové žiarenie

- jeden z druhov: elektromagnetické žiarenie. vlnenie nabitými časticami (v priestore, hlavne elektrónmi) pohybujúcimi sa relativistickými rýchlosťami v magnetickom poli. lúka H. Prvýkrát bol pozorovaný v elektrónových urýchľovačoch – synchrotrónoch. Magn. pole ohýba dráhu elektrónov (pozri), a z toho vyplývajúce zrýchlenie javu. spôsobiť el.-magn. žiarenia. Tento mechanizmus sa často používa na vysvetlenie rádiového, optického. a röntgen žiarenie širokej škály kozmických zdrojov.

K podobnému žiareniu nerelativistických častíc (pozri) dochádza na zákl. gyromagnetická frekvencia a jej prvé harmonické (q a m sú náboj a pokojová hmotnosť častice).

Žiarenie z nabitých relativistických častíc, t.j. častice pohybujúce sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla má množstvo významných rozdielov od žiarenia pomalých častíc. V dôsledku Dopplerovho javu sa veľmi zvyšuje frekvencia svetla vyžarovaného rýchlo sa pohybujúcou časticou v smere jej pohybu a zvyšuje sa intenzita žiarenia pri vysokých harmonických. Pre relativistické častice s energiou má žiarenie v oblasti vysokých harmonických takmer spojité spektrum a sústreďuje sa v smere okamžitej rýchlosti do úzkeho kužeľa s uhlom rozovretia.

Relativistický elektrón pohybujúci sa v magnete. pole, opisuje buď kružnicu (ak nemá rýchlostnú zložku pozdĺž poľa) alebo špirálu. Jeho rotačná frekvencia v mag. pole H je
. (1)

Úzky kužeľ, v ktorom je obsiahnuté elektrónové žiarenie, sa otáča spolu s rotáciou vektora okamžitej rýchlosti elektrónu (obr.). To znamená, že pozorovateľ nachádzajúci sa v rovine obežnej dráhy elektrónu vidí záblesky žiarenia v tých časových okamihoch, keď je rýchlosť elektrónu nasmerovaná k nemu. Záblesky nasledujú v časových intervaloch, trvanie každého záblesku.

Keďže frekvencia opakovania zábleskov je pomerne vysoká, pozorovateľ prakticky vidí nepretržité žiarenie. Max. moc S.i. jeden elektrón v jednotkovom frekvenčnom rozsahu cca. frekvencie [pozri (3)] ​​a v jednotkovom priestorovom uhle sa rovná:
, (2)
kde H je vyjadrené v E. Pri nižších frekvenciách žiarenie klesá as a pri vyšších frekvenciách klesá exponenciálne.

S.i. má dôležité vlastnosti. Pre pozorovateľa umiestneného presne v rovine dráhy elektrónu je žiarenie lineárne polarizované s elektrickou polarizáciou. vektor ležiaci v orbitálnej rovine. V určitej uhlovej vzdialenosti od tejto roviny je polarizácia eliptická, s rôznymi znamienkami na oboch stranách roviny.Navyše intenzita elipticky polarizovaného žiarenia je nevýznamná. Pri spriemerovaní žiarenia systému elektrónov zostáva len lineárna polarizácia. Inými slovami, systém relativistických elektrónov umiestnených v homogénnom magnetickom poli. poli, dáva lineárne polarizovaný S.i. s elektrickým vektor kolmý na magnetické pole.

Ak by všetky elektróny mali približne rovnakú energiu, potom by emisné spektrum tohto systému malo maximum pri frekvencii
(Hz). (3)
Vo vesmíre za podmienok majú relativistické elektróny rôzne energie. Najčastejšie sa energetické rozloženie elektrónov aproximuje výkonovou funkciou, t.j. počet elektrónov N na jednotku objem s energiou od E do:
, (4)
Kde K a - konštantný.

S.i. Jednotky objem v jednotkovom priestorovom uhle a v jednotkovom frekvenčnom intervale (tzv. emisivita) je určený vzťahom:
, (5)
kde je číselný koeficient v závislosti od, blízky 0,1-0,2 pri . Stupeň lineárnej polarizácie tohto žiarenia sa rovná . Veľkosť je tzv S.i.

Ak koncentrácia relativistických elektrónov nie je príliš vysoká, tak intenzitu žiarenia určujeme pomocou f-le, kde l- veľkosť radiačnej plochy. Pri vysokej koncentrácii elektrónov je potrebné počítať s ich samopohlcovaním. Pomerový koeficient žiarenia na koeficient absorpcia:
, (6)
kde je číselný koeficient. sa mení z 0,7 na 0,1 pri .