Synchrotronstraling

Synchrotronstraling is de straling die vrijkomt in het middenvlak (equatoriale vlak) van een synchrotron. De fotonen worden uitgestraald in de bewegingsrichting van de elementaire deeltjes (meestal elektronen) in het synchrotron, en komen langs de raaklijn (tangentieel) aan de ring naar buiten. Volgens de wetten van Maxwell moeten elektrisch geladen deeltjes die afgebogen worden, elektromagnetische golven uitzenden.

Aanvankelijk werd synchrotronstraling gezien als een uitsluitend parasitair effect, dat het moeilijk maakt om deeltjes tot bij de lichtsnelheid te versnellen omdat energie verloren gaat als straling. Later werden speciaal synchrotrons gebouwd om dit effect te gebruiken als bron van deze felle straling met een breed spectrum en die verder gepulst en gepolariseerd is. Een toepassing is de structuurbepaling van kristallen - bijvoorbeeld van eiwitten - met röntgenstraling.

Synchrotronstraling treedt behalve in synchrotrons ook op in sterke magneetvelden in het heelal, bijvoorbeeld bij de zon, de Krabnevel, gamma-ray bursts en in de stralingsgordel van Jupiter, waar het radiostraling produceert.

Synchrotronstraling is ook het principe van de vrije-elektronenlaser (free electron laser).

Oorspronkelijk bouwde men synchrotrons om deeltjes te versnellen. De synchrotronstraling zag men als een lastig (en gevaarlijk) nevenproduct, dat tot energieverlies leidde. Maar de afgelopen decennia is deze straling een belangrijke reden geworden om een synchrotron te bouwen en draaiende te houden.

Synchrotronstraling is namelijk

1. bijzonder intens en
2. omspant nagenoeg het hele golflengtebereik van het elektromagnetische spectrum.

Vooral in het vacuümultraviolet en voor röntgenstralen waarvoor geen andere sterke bronnen bestaan, is de synchrotronstraling zeer gewild. Men noemt deze straling polychromatisch (veelkleurig) omdat zij veel verschillende golflengten bevat. Met behulp van een monochromator kan een golflengte worden uitgekozen voor een experiment.

Synchrotronstraling werd in 1944 voorspeld door de Russen Dmitri Iwanenko en Isaak Pomeranchuk^[1] en, onafhankelijk van hen, de Amerikaan Julian Schwinger.^[2] Ze werd voor het eerst waargenomen in 1946 bij het 70 MeV-elektronensynchrotron van het research-centrum van General Electric in Schenectady (NY) en beschreven in 1947 door de Amerikanen Frank Elder, Anatole Gurewitsch, Robert Langmuir en Herb Pollock.^[3]

De straling wordt 'afgetapt' uit de ring op de plaats waar een afbuigingsmagneet in het synchrotron staat. In moderne synchrotrons worden speciale constructies van magneten in de buis opgenomen die de intensiteit verder kunnen vergroten:

• Een wiggler (letterlijk wiebelaar) is een pakket magneten die de passerende elektronen een groot aantal op-en-neer bochten laten maken. De straling van de elektronen in al deze bochten verlaat via dezelfde beam line (bundelpijp) het systeem.
• Een undulator (letterlijk golfmaker) veroorzaakt een soortgelijke serie bochten in de elektronenbanen, maar is bovendien zo geconstrueerd dat de vrijkomende straling uit de bochten in fase zijn. Een undulator versterkt daardoor preferent een enkele golflengte plus zijn boventonen. De bundel straling is ook meer coherent. Voor de constructie van een undulator wordt gebruikgemaakt van de Lorentzcontractie. Anders zou het nooit mogelijk zijn om straling met een golflengte van 100 pm (picometer) te versterken.

Het stralingsspectrum van synchrotronstraling heeft een middenpunt bij de zogenaamde kritische golflengte

${\displaystyle \lambda _{\text{krit}}={\frac {18{,}6}{B\,E_{\text{deeltje}}}}}$

met

${\displaystyle \lambda _{\text{krit}}}$ de kritische golflengte in ångström

${\displaystyle B}$ de magnetische veldsterkte in tesla

${\displaystyle E_{\text{deeltje}}}$ de kinetische energie van het deeltje in GeV

De helft van het vermogen zit in straling met kleinere golflengte dan deze kritische golflengte, de andere helft er dus boven.

Het vermogen P dat in synchrotronstraling van elektronen of protonen opgaat is

${\displaystyle P={\frac {2e^{2}cE_{\text{deeltje}}^{4}}{3R^{2}E_{\text{rust}}^{4}}}}$

met

${\displaystyle R}$ de kromtestraal van de afbuiging

${\displaystyle e}$ de elementaire lading

${\displaystyle c}$ de lichtsnelheid

${\displaystyle E_{\text{rust}}}$ is ${\displaystyle m_{0}c^{2}}$, met ${\displaystyle m_{0}}$ de rustmassa van het deeltje

Voor de kromtestraal R geldt bij benadering

${\displaystyle R={\frac {3{,}34\,E}{B}}}$

De synchrotronstraling van een derde generatie synchrotron zoals het ESRF in Grenoble is circa 10.000 keer intenser dan de beste röntgenbuis. Bovendien is de straal bijzonder parallel. Met een goede monochromator is het mogelijk de gewenste golflengte van de röntgenstraling vrijelijk te kiezen.

Een synchrotron beam line leent zich heel goed voor diffractie experimenten aan moeilijke monsters, zoals grote eiwitten en zeer kleine eenkristallen waar de hoge intensiteit het mogelijk maakt om veel meer reflecties te meten, en poeders waar de parallelle bundel de resolutie sterk verbetert tegenover andere röntgenbronnen.

Door de hoge intensiteit van de synchrotronstraling is het mogelijk patronen in korte tijd op te nemen. (In extreme gevallen is het zelfs mogelijk 30 patronen per seconde op te nemen.) Daardoor wordt het mogelijk veranderingen in het patroon te bestuderen, bijvoorbeeld wanneer het poeder verhit wordt of onder druk gezet. De uitzetting van het kristalrooster met de temperatuur zorgt voor verschuivingen in de diffractiepieken. De uitzettingscoëfficiënt(en) (of de compressibiliteit(en)) zijn daardoor vrij eenvoudig te meten. De figuur laat zien, hoe bij verwarming de diffractiepiek naar kleinere hoeken verschuift. Zoals verwacht zet het kristal uit.

Een andere toepassing is bestudering van de kinetiek van faseovergangen.

Omdat men de golflengte van de gebruikte synchrotronstraling kan kiezen is het vrij eenvoudig gebruik te maken van de anomale en resonantie-effecten die optreden wanneer de golflengte dicht bij een absorptiekant van een bepaald element ligt. Normaal is de strooiing vrijwel volledig elastisch maar vlak bij een absorptiekant treden fase-verschillen op tussen de inkomende en de gestrooide straling. Dit betekent dat alle atomen van het gekozen element nu anders tot de totale strooiing bijdragen. Ze lichten als het ware een beetje op. Vergelijking met een andere golflengte maakt het dan mogelijk de structuur beter te bestuderen.

Met deze techniek kan men zelfs zien of het onderzochte atoom wel precies bolvormig is. Als de buitenste elektronenschil ervan niet helemaal gevuld is en bijvoorbeeld een magnetisch moment draagt komt dat in het strooiingspatroon tot uitdrukking. Voordat deze techniek ontwikkeld werd, kon de magnetische structuur alleen met neutronendiffractie bestudeerd worden.

Een klein deel van de straling wordt inelastisch verstrooid. In tegenstelling tot de elastische strooiing waartoe men zich meestal beperkt verandert daarbij de golflengte een klein beetje. Het is moeilijk om de geringe fotonen met deze veranderde golflengte uit de grote massa onveranderde fotonen te filteren. Maar omdat synchrotrons zo ontzettend veel intensiteit produceren is zelfs dit mogelijk. De informatie die men zo verkrijgt heeft betrekking op de trillingswijzen van het kristal (de fononen). Voor de ontwikkeling van deze techniek kon dit soort onderzoek alleen met neutronen gedaan worden.

Omdat de golflengte voor het kiezen is, kan het synchrotronlicht ook voor spectroscopische doeleinden gebruikt worden, bijvoorbeeld door de absorptie te meten als functie van de golflengte. Twee verwante technieken zijn hier op gebaseerd:

• EXAFS
• NEXAFS

Synchrotronstraling wordt voor onderzoek geproduceerd in tientallen speciale versnellers verspreid over de gehele wereld.

• Duitsland
  • HASYLAB DESY Hamburg
  • BESSY Berlijn
  • ANKA Karlsruhe
  • ELSA Bonn
• Frankrijk
  • ESRF Grenoble
• Groot-Brittannië
  • Synchrotron Radiation Source, Daresbury, Engeland. Gesloten augustus 2008
• Verenigde Staten
  • National Synchrotron Light Source (NSLS) Brookhaven, NY
  • Argonne
• China
  • BSRF Beijing
• Brazilië
  • LNLS São Paulo
• Jordanië
  • SESAME (samenwerking Israël met Arabische landen en Iran)

Synchrotronstraling wordt ook opgewekt door sterrenkundige objecten, waar relativistische elektronen in spiralen bewegen en daardoor van snelheid veranderen vanwege magnetische velden. Karakteristiek zijn

1. de niet-thermische vorm van de spectra: een machtswet, anders dan de zwarte straling
2. de polarisatie.^[4]

Synchrotronstraling werd in de sterrenkunde het eerst gevonden in 1956 door de Brit Geoffrey Burbidge in de jet die uit het elliptische melkwegstelsel M87 komt.^[5] Deze straling in het heelal was voorspeld door Iosif Shklovskii in 1953, en nog eerder door Hannes Alfvén en Nicolai Herlofson^[6] in 1950.

Mogelijk zijn zeer zware zwarte gaten verantwoordelijk voor de synchrotronstraling, omdat zij zowel ionen in een magneetveld kunnen versnellen door hun sterke zwaartekracht als kunnen zorgen voor het relativistische straaleffect (relativistic beaming).

Pulsar wind nevels (plerions), met de Krabnevel en bijbehorende pulsar als voorbeeld, produceren ook synchrotronstraling. Gepulste gammastraling werd onlangs waargenomen afkomstig van de Krabpulsar met energieën tot boven 25 GeV^[7], waarschijnlijk dankzij synchrotronstraling van elektronen die gevangen zitten in het sterke magnetische veld rond de pulsar. De polarisatie in de zichtbare en andere elektromagnetische straling zoals de gammastraling uit de Krabnevel^[8] bij energieën van 0,1 tot 1,0 MeV maakt aannemelijk dat het om synchrotronstraling gaat.

• Jackson, J.D.: Classical electrodynamics, John Wiley & Sons, vele drukken
• Margaritondo, G.: Introduction to synchrotron radiation, Oxford University Press, 1988

• (en) Lijst bronnen
• (en) Lightsources.org
• (en) Website SESAME, Jordanië
• (en) Website SRS, Daresbury, Verenigd Koninkrijk. Gesloten

• (en) Cosmic Magnetobremsstrahlung (synchrotron Radiation), door Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1965
• (en) Developments in the Theory of Synchrotron Radiation and its Reabsorption, door Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1969
• (en) X-Ray Data Booklet Handboek