Η ακτινοβολία συγχρότρου

Η ακτινοβολία συγχρότρου είναι το όνομα που δόθηκε στην ακτινοβολία που εξέρχεται όταν επιταχύνονται φορτισμένα σωματίδια σε μια καμπύλη τροχιά. Στην κλασική φυσική κάθε φορτισμένο σωματίδιο που είτε κινείται σε μια καμπύλη διαδρομή είτε επιταχύνεται σε μια ευθεία πορεία θα εκπέμψει  ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Σε αυτή την ακτινοβολία έχουν δοθεί διάφορες ονομασίες σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Για παράδειγμα, όταν αυτή συμβαίνει κατά την πτώση ηλεκτρονίων πάνω σε ένα στερεό μέταλλο-στόχο – μέσα σε μια λυχνία ακτίνων Χ – ονομάζεται “ακτινοβολία πέδης”.

Ιδιαίτερα στους κυκλικούς επιταχυντές σωματιδίων (όπως ο επιταχυντής Tevatron στο Fermi), φορτισμένα και ελαφριά σωματίδια επιταχύνονται σε πολύ υψηλές ταχύτητες, που αποκλίνουν από την ευθύγραμμη τροχιά τους παρουσία μαγνητικού πεδίου, εκπέμπεται μια ακτινοβολία που αναφέρεται ως ακτινοβολία συγχρότρου.

Αυτή η ακτινοβολούμενη ενέργεια είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της ταχύτητας των σωματιδίων και είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της ακτίνας της τροχιάς. Τούτη η ενέργεια γίνεται ο περιοριστικός παράγοντας για την τελική ενέργεια των σωματιδίων που επιταχύνονται στα σύγχροτρα ηλεκτρονίων ή ποζιτρονίων ή πρωτονίων, όπως ο επιταχυντής LEP στο CERN. Σε άλλες περιπτώσεις, η ανίχνευση της  μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βοήθημα για την ανάλυση των προϊόντων στο φαινόμενο της σκέδασης στον επιταχυντή.

Η δέσμη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που προέρχεται από το σύγχροτρο και από τον δακτύλιο συγκέντρωσης ηλεκτρονίων, εκπέμπεται με τη μορφή λεπτού κώνου που εφάπτεται στη καμπύλη την οποία διαγράφουν τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια (εικόνα).

Θεωρητικά, το φάσμα της ακτινοβολίας του συγχρότρου αποτελείται από ένα πλήθος συχνοτήτων καλά διαχωρισμένων. Πρακτικά όμως το φάσμα είναι συνεχές, γιατί οι συχνότητες που το αποτελούν είναι τόσο γειτονικές που δίνουν την αίσθηση της συνέχειας. Η αίσθηση αυτής της συνέχειας γίνεται ολοένα καθαρότερη, καθώς η νραμμική ταχύτητα των ηλεκτρονίων πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός, σ’ ένα μεγάλο τμήμα του εύρους του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που εκτείνεται από την περιοχή των υπεριωδών ακτινών μέχρι την περιοχή των σκληρών ακτινών Χ.

Πρακτικά, οι ακτίνες Χ που αποτελούν ένα μέρος της όλης ακτινοβολίας σύγχροτρου, είναι αυτές που καθιστούν τόσο σημαντική την ύπαρξη της ομώνυμης ακτινοβολίας. Κι’αυτό γιατί η ακτινοβολία σύγχροτρου είναι η μόνη που δίνει συνεχές φάσμα στη περιοχή συχνοτήτων των ακτινών Χ.

Όταν για πρώτη φορά οι φυσικοί ήρθαν αντιμέτωποι με την ακτινοβολία σύγχροτρου, απογοητεύτηκαν αφού, στην καλύτερη περίπτωση, τη θεωρούσαν σαν μια αναπόφευκτη και ενοχλητική παρενέργεια των σύγχροτρων-επιταχυντών, που χρησιμοποιούσαν για την εξερεύνηση του κόσμου των στοιχειωδών σωματιδίων. Αυτό που ζητούσαν απ’ το σύγχροτρο δεν ήταν άλλο από δέσμες ηλεκτρονίων (ή ποζιτρονίων) με ταχύτητες που προσέγγιζαν την ταχύτητα του φωτός -, για να τις κατευθύνουν σε πειραματικούς στόχους.

Τα κατασκευαστικά σχέδια του σύγχροτρου απαιτούσαν την ύπαρξη κυκλικών τροχιών για την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων, όμως ηλεκτρόνια κινούμενα με σχετικιστικές ταχύτητες, εκπέμπουν μια ανεπιθύμητη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Συνεπώς η ακτινοβολία αυτή είναι συνυφασμένη με τη λειτουργία του σύγχροτρου. Συγχρόνως η ακτινοβολία αυτή προκαλούσε την υπερθέρμανση των επιταχυντών, κατανάλωνε άσκοπα ενέργεια, αύξανε το εργαστηριακό κόστος και ματαίωνε τα όνειρα και τις φιλοδοξίες πολλών πυρηνικών φυσικών υψηλών ενεργειών.

Αν και οι επιστήμονες έβρισκαν όλα αυτά αρκετά ενοχλητικά, γρήγορα διαπίστωσαν ότι η “ανεπιθύμητη” ακτινοβολία διέθετε μερικά πλεονεκτήματα.

Πρώτον, η φωτεινή ακτινοβολία του σύγχροτρου ήταν πιο λαμπρή και καλύτερα εστιαζόμενη απ’ οποιαδήποτε μορφή φωτός, με εξαίρεση τις ακτίνες λέιζερ.

Δεύτερον, σε αντίθεση με την ακτινοβολία λέιζερ, η ακτινοβολία σύγχροτρου μπορούσε να ρυθμιστεί ώστε να εκπέμπεται με οποιαδήποτε συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Όπως λέει ο Ednor Rowe, επικεφαλής του Κέντρου Ακτινοβολίας Σύγχροτρου του Πανεπιστημίου του Wisconsin, “Η ακτινοβολία σύγχροτρου, μας αποκάλυψε ένα ολόκληρο πεδίο ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, από τις υπεριώδεις ακτίνες μέχρι τις ακτίνες Χ, που ποτέ στο παρελθόν δεν ήταν προσιτό στην έρευνα”. Εξάλλου,η ακτινοβολία σύγχροτρου δεν συνεπαγόταν κανένα πρόσθετο έξοδο γιατί, απλά, παλιότερα οι φυσικοί, θεωρώντας την περιττή, δεν την εκμεταλλεύονταν.

Η λαμπρότητα της φωτεινής ακτινοβολίας του σύγχροτρου προσφέρει στους επιστήμονες ό,τι το ηλεκτρονικό φλας στους φωτογράφους. Και στις δύο περιπτώσεις το έντονο φως μειώνει τον αναγκαίο για τη φωτογράφιση χρόνο έκθεσης. Είναι χαρακτηριστικό ότι η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας του’ συγχρότρου, που εκπέμπεται με συχνότητα στην περιοχή των ακτινών Χ, είναι εκατό χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από την ένταση του φωτός που προέρχεται από οποιαδήποτε συμβατική φωτεινή πηγή.

Η λαμπρότητα της φωτεινής ακτινοβολίας σύγχροτρου δίνει τη δυνατότητα της ολοκλήρωσης πειραμάτων – που διαφορετικά θα απαιτούσαν μήνες ή ακόμα δεν θα ήταν κάν δυνατόν να εκτελεστούν με συμβατικές πηγές φωτός-σε διάστημα λεπτών ή και δευτερολέπτων. Ενώ οι συχνότητες εκπομπής της ακτινοβολίας λέιζερ καταλαμβάνουν ένα πολύ μικρό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, οι συχνότητες εκπομπής της ακτινοβολίας σύγχροτρου απλώνονται σ’ όλο το εύρος του φάσματος. Έτσι, οι φυσικοί μπορούν, μεταβάλλοντας την ταχύτητα των ηλεκτρονίων που κινούνται μέσα στον επιταχυντή, αρχικά να επιλέξουν το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στο οποίο χρειάζονται την εντονότερη ακτινοβολία και στη συνέχεια να εκλέξουν το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που επιθυμούν, με ακρίβεια 1:10.000, χρησιμοποιώντας, όπως ήδη έχει αναφερθεί, κρύσταλλο χαλαζία.

Η δυνατότητα της ακριβούς ρύθμισης της έντασης και της συχνότητας της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, καθιστά την ακτινοβολία σύγχροτρου πολύτιμο εργαλείο για την εξερεύνηση της ύλης. Επειδή η κατανομή των ηλεκτρονίων στις ηλεκτρονικές στιβάδες στα άτομα των διαφόρων στοιχείων είναι μοναδική, ένα στοιχείο μπορεί ν’ απορροφήσει και να επανεκπέμψει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μιας ορισμένης συχνότητας καλύτερα από τ’ άλλα στοιχεία.

“Εφόσον μπορεί κανείς να ρυθμίσει τη συχνότητα της ακτινοβολίας σύγχροτρου έτσι ώστε να πετυχαίνει αυτές τις χαρακτηριστικές συχνότητες”  εξηγεί ο Ednor Rowe “μπορεί και να διαλέξει το συγκεκριμένο άτομο ή ακόμα και το συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο που θέλει να παρατηρήσει”.

Ισχύς της ακτινοβολίας

Η κλασική φόρμουλα για την ακτινοβολούμενη ισχύ σύγχροτρον από την επιτάχυνση ηλεκτρονίων είναι:

Για μια μη σχετικιστική κυκλική τροχιά, η επιτάχυνση είναι μόνο η κεντρομόλος επιτάχυνση, v²/r..

Οι τροχιές όμως στους επιταχυντές που μας ενδιαφέρουν είναι άκρως σχετικιστικές, έτσι ώστε η σχετικιστική επιτάχυνση μπορεί να πάρει την εξής τιμή:

όπου

τ= ίδιος χρόνος και m είναι η μάζα ηρεμίας του σωματιδίου. Η ακτινοβολούμενη ισχύς είναι τότε

Εφαρμογές

Ο Martin Caffrey, βιοφυσικός στο Cornell, χρησιμοποιεί το σύγχροτρο του Πανεπιστημίου νια τη μελέτη της συμπεριφοράς των μορίων διαφόρων ουσιών, όπως το βούτυρο, οι τρίχες, το Teflon και το πλαστικό κάτω από συνθήκες στατικής και θερμικής καταπόνησης.

Ο Caffrey παρήγαγε κινηματογραφικές ταινίες που παρουσιάζουν μόρια υπό τάση και θέρμανση, καθιερώνοντας έτσι μιά τεχνική που θα φανεί ιδιαίτερα χρήσιμη σε εφαρμογές όπως ο σχεδιασμός συσκευών που θα λειτουργήσουν κάτω από ακραίες συνθήκες ή η δημιουργία μεμβρανών που θα διοχετεύουν αντικαρκινικά φάρμακα στην ακριβή εστία του όγκου.

Η ακτινοβολία σύγχροτρου χρησιμοποιείται ακόμα για τη μελέτη της φύσης της “επαφής Schottky”, του ορίου δηλαδή μεταξύ ενός ημιαγωγού και ενός μετάλλου, στο οποίο οφείλονται οι ιδιότητες των τρανζίστορς και των chips των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Με την καλύτερη κατανόηση της φύσης της “επαφής Schottky”, οι επιστήμονες ελπίζουν να πετύχουν την παραγωγή ακόμα “ταχύτερων” εξαρτημάτων ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Στο Πανεπιστήμιο του Stanford, μια ομάδα τριών ερευνητών της ιατρικής και της φυσικής, χρησιμοποιεί την ακτινοβολία σύνχροτρου για την αντιμετώπιση ενός καίριου ιατρικού προβλήματος: της διάννωσης των καρδιακών παθήσεων στα πρώτα τους στάδια. Η τεχνική που χρησιμοποιείται σήμερα σε μεγάλη κλίμακα είναι οδυνηρή, δαπανηρή και μερικές φορές επικίνδυνη, αφού ένας στους 500 ασθενείς πεθαίνει. Η μέθοδος αυτή απαιτεί τη χρησιμοποίηση καθετήρα που περνάει μέσα από μιά αρτηρία και φτάνει μέχρι την καρδιά, όπου απελευθερώνει μια ποσότητα ιωδίου, για να επακολουθήσει η λήψη ακτινογραφιών των αιμοφόρων αγγείων. Το συμπυκνωμένο ιώδιο δρα σαν σκιαγραφικό, έτσι ώστε τα τοιχώματα των αρτηριών που είναι συνήθως διαφανή στις ακτίνες Χ, να καθίστανται αδιαφανή. Οι ακτινογραφίες που προκύπτουν αποκαλύπτουν οποιαδήποτε έμφραξη των αρτηριών και των βαλβίδων.

Η ακτινοβολία σύγχροτρου, όμως, βρίσκει εφαρμογή και σε πολλούς άλλους τομείς της επιστημονικής έρευνας, όπως είναι:

• Η φωτοδιάσπαση, υπό συνθήκες κενού,απλών μορίων,που παρέχει άμεσες πληροφορίες για τον τρόπο κατανομής της ενέργειας μετά από διέγερση που προκαλείται από ακτινοβόληση.

• Η φασματομετρία των ηλεκτρονίων εφαρμοσμένη στα απλά μόρια, που σκοπό έχει αφενός την κατανόηση της φύσης του χημικού δεσμού, που καθορίζεται από τα ηλεκτρόνια σθένους, και αφετέρου τη μελέτη των φαινομένων συντονισμού που βρίσκονται στη βάση του σχηματισμού των ιόντων.

• Η γωνιακή φωτο-εκπομπή, που αποτελεί μιά από τις πιό αποτελεσματικές μεθόδους για τη μελέτη των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των στερεών και της επιφάνειας τους. Σαν παράδειγμα αναφέρεται η μελέτη της ανακατάταξης των ατόμων της πρώτης επιφανειακής στιβάδας σε σχέση με τα άτομα των επόμενων στιβάδων.

• Η φασματοσκοπία απορρόφησης, ηλεκτρονίων και ιόντων: αυτές οι τρεις μέθοδοι συνδέονται με την ατομική φυσική (δομή ατόμου, αλληλεπίδραση φωτεινής ακτινοβολίας-ατόμου κλπ.) και με την εξελικτική πορεία που λαμβάνει χώρα όταν το άτομο βρίσκεται μέσα σ’ένα σύνθετο περιβάλλον (μόριο, στερεό, πλάσμα κλπ.).

• Το λέηζερ ηλεκτρονίων. Πρόκειται για φαινόμενο λέηζερ που βασίζεται στη δέσμη ηλεκτρονίων ενός δακτυλίου συγκέντρωσης.

• Η κρυσταλλογραφία των βιολονικών μακρομορίων που σκοπό έχει τον καθορισμό της δομής των πρωτεϊνών, των νουκλεικών οξέων κλπ. σε τρεις διαστάσεις. Η σαφής τρισδιάστατη περιγραφή της μοριακής αρχιτεκτονικής είναι βασικό στοιχείο για την κατανόηση της λειτουργίας των βιολογικών συστημάτων.

Αστρονομία και ακτινοβολία συγχρότρου

Οι ραδιογαλαξίες καθώς και οι κβάζαρ που εκπέμπουν ισχυρές ραδιοακτινοβολίες είναι τύποι ενεργών γαλαξιών οι οποίοι είναι πολύ λαμπροί στα ραδιοκύματα (μέχρι 10³⁹ W μεταξύ 10 MHz και 100 GHz). Η εκπομπή ραδιοκυμάτων οφείλεται στην ακτινοβολία συγχρότρου. Η παρατηρούμενη δομή στην εκπομπή ραδιοκυμάτων καθορίζεται από την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο πιδάκων υλικού και το εξωτερικό ενδιάμεσο, που παραμορφώνεται από τις επιδράσεις της σχετικής ακτινοβολίας. Ο γαλαξίες που τους φιλοξενούν είναι σχεδόν αποκλειστικά μεγάλοι ελλειπτικοί γαλαξίες. Οι ισχυροί ενεργοί ραδιογαλαξίες έχουν επίσης ενδιαφέρον, διότι μπορούν να ανιχνευτούν σε μεγάλες αποστάσεις και γι’ αυτό είναι πολύτιμα εργαλεία για την παρατηρησιακή κοσμολογία. Πρόσφατα, έχει γίνει πολύ δουλειά στις επιδράσεις αυτών των αντικειμένων στο διαγαλαξιακό ενδιάμεσο, κυρίως σε ομάδες και σμήνη γαλαξιών.

Ο γιγάντιος ελλειπτικός γαλαξίας Messier 87 ή M87 έχει έναν ενεργό γαλαξιακό πυρήνα και εκπέμπει ραδιοκύματα. Οι σχετικιστικοί πίδακες του έχουν έκταση 5.000 έτη φωτός.

Έχει ανακαλυφθεί ότι τα υλικά που εκτοξεύονται από τους σχετικιστικούς πίδακες μπορούν να προκαλέσουν και έντονη διεργασία αστρογένεσης. Η αιτία εδώ είναι ότι οι πίδακες προκαλούν τη συμπύκνωση του υλικού στο οποίο προσπίπτουν. Τέτοια φαινόμενα έχουν παρατηρηθεί στους γαλαξίες Κένταυρος Α, NGC 541 και 3C 285.

Πηγές: wikipedia – dodekanissaweb.gr