إشعاع السنكروترون

إشعاع السنكروترون (المعروف أيضًا باسم إشعاع الكبح المغناطيسي ) هو الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث عندما تتعرض الجسيمات المشحونة النسبية لتسارع عمودي على سرعتها ( a ⊥ v ). يُنتج هذا الإشعاع صناعيًا في بعض أنواع مسرعات الجسيمات ، أو طبيعيًا بواسطة الإلكترونات السريعة التي تتحرك عبر المجالات المغناطيسية. يتميز الإشعاع الناتج بهذه الطريقة باستقطاب مميز ، ويمكن أن تتراوح الترددات المتولدة على جزء كبير من الطيف الكهرومغناطيسي . ^{[ 1 ]}

يشبه إشعاع السنكروترون إشعاع الكبح ، الذي ينبعث من جسيم مشحون عندما يكون تسارعه موازيًا لاتجاه حركته. يُطلق على الإشعاع المنبعث من الجسيمات في مجال مغناطيسي اسم الإشعاع المغناطيسي الدوراني ، ويُعد إشعاع السنكروترون حالةً خاصةً منه في نطاق السرعات النسبية الفائقة. يُسمى الإشعاع المنبعث من الجسيمات المشحونة التي تتحرك بسرعة غير نسبية في مجال مغناطيسي بانبعاث السيكلوترون . ^{[ 2 ]} أما بالنسبة للجسيمات التي تتحرك بسرعة نسبية معتدلة (حوالي 85% من سرعة الضوء)، فيُطلق على هذا الانبعاث اسم إشعاع السنكروترون الدوراني . ^{[ 3 ]}

في الفيزياء الفلكية ، يحدث انبعاث السنكروترون، على سبيل المثال، بسبب الحركة فائقة النسبية لجسيم مشحون حول ثقب أسود . ^{[ 4 ]} عندما يتبع المصدر مسارًا جيوديسيًا دائريًا حول الثقب الأسود، يحدث إشعاع السنكروترون في مدارات قريبة من كرة الفوتون حيث تكون الحركة في النظام فائق النسبية .

يُطلق عليه عادةً اسم إشعاع السنكروترون، ويمكن تقسيمه إلى ثلاثة أنواع حسب طاقة الإلكترونات: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

• إشعاع السيكلوترون : إلكترونات غير نسبية (γ ≈ 1).
• الإشعاع الجيروسينكروتروني أو الإشعاع المغناطيسي الجيرو : إلكترونات نسبية بشكل طفيف (γ ~ 2–10، طاقات حركية من عشرات الكيلو إلكترون فولت إلى بضعة ميغا إلكترون فولت).
• إشعاع السنكروترون : إلكترونات نسبية (γ ≫ 10، GeV وما فوق للحقول الفيزيائية الفلكية النموذجية).

رُصد إشعاع السنكروترون لأول مرة على يد الفني فلويد هابر، في 24 أبريل 1947، في مسرع الإلكترونات ذي طاقة 70 ميغا إلكترون فولت التابع لمختبر أبحاث جنرال إلكتريك في سكنيكتادي، نيويورك . ^{[ 7 ]} ورغم أنه لم يكن أول مسرع سنكروترون يُبنى، إلا أنه كان الأول المزود بأنبوب تفريغ شفاف، مما سمح برصد الإشعاع مباشرةً. ^{[ 8 ]}

كما رواه هربرت بولوك: ^{[ 9 ]}

في 24 أبريل، كنت أنا ولانغمير نشغل الجهاز، وكعادتنا كنا نحاول دفع مدفع الإلكترونات ومحول النبضات المرتبط به إلى أقصى حد. حدثت بعض الشرارات المتقطعة، فطلبنا من الفني أن يراقب باستخدام مرآة حول الجدار الخرساني الواقي. أشار على الفور بإيقاف تشغيل السنكروترون لأنه "رأى قوسًا كهربائيًا في الأنبوب". كان الفراغ لا يزال ممتازًا، لذا توجهنا أنا ولانغمير إلى نهاية الجدار وراقبنا. في البداية ظننا أن الأمر قد يكون بسبب إشعاع تشيرينكوف ، لكن سرعان ما اتضح أننا كنا نرى إشعاع إيفانينكو وبوميرانشوك . ^{[ 10 ]}

من النتائج المباشرة لمعادلات ماكسويل أن الجسيمات المشحونة المتسارعة تُصدر دائمًا إشعاعًا كهرومغناطيسيًا. يُعدّ إشعاع السنكروترون حالة خاصة من الجسيمات المشحونة التي تتحرك بسرعة نسبية وتخضع لتسارع عمودي على اتجاه حركتها، عادةً في مجال مغناطيسي. في مثل هذا المجال، تكون القوة الناتجة عن المجال دائمًا عمودية على كلٍّ من اتجاه الحركة واتجاه المجال، كما يُبيّن قانون لورنتز للقوة .

يتم إيجاد القدرة التي يحملها الإشعاع ( بوحدات النظام الدولي للوحدات ) بواسطة صيغة لارمور النسبية : ^{[ 11 ] [ 12 ]}

$${\displaystyle P_{\gamma}={\frac {q^{2}}{6\pi \varepsilon _{0}c^{3}}}a^{2}\gamma ^{4}={\frac {q^{2}c}{6\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {\beta ^{4}\gamma ^{4}}{\rho ^{2}}},}$$ أين

• ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$هي سماحية الفراغ ،
• ${\displaystyle q}$هي شحنة الجسيم،
• ${\displaystyle a}$هي مقدار التسارع،
• ${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء،
• ${\displaystyle \gamma }$هو عامل لورنتز ،
• ${\displaystyle \beta =v/c}$،
• ${\displaystyle \rho }$يمثل نصف قطر انحناء مسار الجسيم.

القوة المؤثرة على الإلكترون المنبعث تُعطى بواسطة قوة أبراهام-لورنتز-ديراك .

باختصار، فإن إشعاع السنكروترون هو بالضبط النسخة المزاحة دوبلر من إشعاع لارمور وفقًا لحركة الإلكترونات المتسارعة.

عندما ينبعث الإشعاع من جسيم يتحرك في مستوى، يكون الإشعاع مستقطبًا خطيًا عند رصده في ذلك المستوى، ومستقطبًا دائريًا عند رصده بزاوية صغيرة. مع ذلك، في ميكانيكا الكم، ينبعث هذا الإشعاع في حزم منفصلة من الفوتونات، مما يُحدث تقلبات كمومية في الإشعاع المنبعث ومسار الجسيم. بالنسبة لتسارع معين، تتناسب الطاقة المتوسطة للفوتونات المنبعثة طرديًا مع${\displaystyle \gamma ^{3}}$ومعدل الانبعاثات إلى${\displaystyle \gamma }$.

تُنتج المُسرّعات الدائرية دائمًا إشعاعًا مغناطيسيًا دورانيًا نتيجة انحراف الجسيمات في المجال المغناطيسي. ومع ذلك، فإن كمية الإشعاع وخصائصه تعتمد بشكل كبير على طبيعة التسارع الحاصل. على سبيل المثال، بسبب اختلاف الكتلة، فإن عامل${\displaystyle \gamma ^{4}}$يشير مصطلح "في صيغة القدرة المنبعثة" إلى أن الإلكترونات تشع طاقة بمعدل يقارب 10^ ¹³ ضعف معدل إشعاع البروتونات. ^{[ 13 ]}

كان يُنظر إلى فقدان الطاقة الناتج عن إشعاع السنكروترون في المسرعات الدائرية في البداية على أنه مصدر إزعاج، إذ يجب تزويد الحزمة بطاقة إضافية لتعويض هذا الفقد. مع ذلك، بدءًا من ثمانينيات القرن الماضي، تم بناء مسرعات إلكترونية دائرية تُعرف بمصادر الضوء لإنتاج حزم مكثفة من إشعاع السنكروترون لأغراض البحث العلمي. ^{[ 14 ]}

يُنتج الإشعاع السنكروتروني أيضًا من الأجرام السماوية، وتحديدًا عندما تدور الإلكترونات النسبية حلزونيًا (وبالتالي تتغير سرعتها) عبر المجالات المغناطيسية. ومن خصائصه المميزة طيف الطاقة ذو قانون القوة والاستقطاب. ^{[ 15 ]} ويُعتبر من أقوى الأدوات في دراسة المجالات المغناطيسية خارج المجموعة الشمسية حيثما توجد جسيمات مشحونة نسبية. تُصدر معظم مصادر الراديو الكونية المعروفة إشعاعًا سنكروترونيًا. ويُستخدم غالبًا لتقدير قوة المجالات المغناطيسية الكونية الكبيرة، فضلًا عن تحليل مكونات الوسط بين النجوم والمجرات. ^{[ 16 ]}

تاريخ الكشف

رُصد هذا النوع من الإشعاع لأول مرة في سديم السرطان عام 1956 على يد يان هندريك أورت وثيودور والرافين ، ^{[ 17 ]} وبعد بضعة أشهر في نفاثة منبعثة من مرصد ميسييه 87 على يد جيفري ر. بوربيدج . ^{[ 18 ]} وكان ذلك تأكيدًا لتنبؤ يوسيف س. شكلوفسكي عام 1953. مع ذلك، فقد تنبأ به سابقًا (عام 1950) هانز ألفين ونيكولاي هيرلوفسون. ^{[ 19 ]} تعمل التوهجات الشمسية على تسريع الجسيمات المنبعثة بهذه الطريقة، كما اقترح ر. جيوفانيلي عام 1948 ووصفه ج. هـ. بيدينغتون عام 1952. ^{[ 20 ]}

وأشار تي كي بريوس إلى أن مسائل الأولوية في تاريخ إشعاع السنكروترون الفلكي معقدة، وكتب:

على وجه الخصوص، قطع الفيزيائي الروسي في. إل. جينزبورغ علاقته مع آي. إس. شكلوفسكي ولم يتحدث معه لمدة 18 عامًا. وفي الغرب، كان توماس غولد والسير فريد هويل على خلاف مع إتش. ألفين وإن. هيرلوفسون، بينما تجاهلوا كي. أو. كييبنهوير وجي. هاتشينسون. ^{[ 21 ]}

• الإشعاع الكهرومغناطيسي الناتج عن تباطؤ الجسيمات المشحونة 
• دوران السيكلوترون
• إشعاع السيكلوترون – إشعاع ينبعث من جسيمات مشحونة تنحرف بفعل المجال المغناطيسي 
• ليزر الإلكترون الحر – ليزر يستخدم حزمة إلكترونية في الفراغ كوسيط تضخيم 
• رد فعل الإشعاع – قوة الارتداد على الجسيمات المشحونة المتسارعة. صفحات تعرض أوصافًا موجزة للأهداف المراد إعادة توجيهها. 
• الإشعاع النسبي – تغير في إضاءة جسم متحرك نتيجة للنسبية الخاصة 
• تأثير سوكولوف-تيرنوف – ظاهرة فيزيائية للاستقطاب المغزلي 
• وظيفة السنكروترون

• براو، تشارلز أ. المشكلات الحديثة في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. مطبعة جامعة أكسفورد، 2004. ISBN 0-19-514665-4.
• جاكسون، جون ديفيد. الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. جون وايلي وأولاده، 1999. ISBN 0-471-30932-X
• إسحاق أحمد ، دكتوراه في العلوم. "قياسات قوى المذبذب النسبية باستخدام إشعاع السنكروترون" (ملف PDF) . وقائع الندوة الوطنية حول آفاق الفيزياء، المركز الوطني للفيزياء النظرية . الجمعية الفيزيائية الباكستانية . تاريخ الاطلاع: 16 يناير 2012 .

• الإشعاع المغناطيسي الكوني (إشعاع السنكروترون) ، بقلم جينزبورغ، في إل، وسيروفاتسكي، إس آي، وآر إيه إيه، 1965
• التطورات في نظرية إشعاع السنكروترون وإعادة امتصاصه ، بقلم جينزبورغ، في إل، وسيروفاتسكي، إس آي، وARAA، 1969
• Lightsources.org
• BioSync – مورد لعلماء الأحياء الهيكلية لمرافق جمع البيانات عالية الطاقة
• كتيب بيانات الأشعة السينية