Почему синхротрон — универсальный инструмент для изучения материи

12.06.2019 5:24

Почему синхротрон — универсальный инструмент для изучения материи

Если заряженная частица движется с ускорением, то такое движение сопровождается испусканием электромагнитного излучения. Обычный видимый нами свет, радиоволны и рентгеновское излучение — это разновидности электромагнитного излучения.

Такое явление предсказал в начале 20 века немецкий физик А. Шотт. В 1944 году советские физики Иваненко и Померанчук создали теорию излучения электрона в магнитном поле. Впервые наблюдать свет от электронов удалось на американском синхротроне «Дженерал Электрик» в 1947 году. Отсюда появилось и название этого магнито-тормозного излучения частицы, движущейся с ускорением — синхротронное излучение (СИ). Поначалу этот эффект считался неприятным побочным продуктом в ускорительном процессе, поскольку это излучение уносит немалую часть энергии, которую необходимо компенсировать. Однако впоследствии, после серьезных исследований характеристик СИ, были обнаружены его уникальные свойства как инструмента для научных исследований.

В конце 60-х годов в Новосибирском академгородке в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера были проведены первые исследования с использованием СИ.

Синхротронное излучение в рентгеновском диапазоне наиболее востребовано для исследования различных объектов. СИ в рентгеновской области — это электромагнитное излучение с длиной волны от доли до десятков ангстрем (1 ангстрем = 10−10 метров). Источниками генерации СИ являются крупные ускорители электронов или позитронов (позитрон — это античастица электрона), которые задают его уникальные характеристики. Прежде всего — это интенсивность.

Интенсивность характеризуется несколькими величинами: количеством фотонов, потоком — числом фотонов в единицу времени, плотностью потока — числом фотонов, пролетающих за единицу времени через единицу площади.

По сравнению с обычными лабораторными источниками рентгеновского излучения интенсивность СИ выше на порядки — в миллион-миллиард раз. Для сравнения: самые первые рентгеновские трубки, которые использовал в своих экспериментах в конце 19-го века немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, отличаются от современных обычных трубок по интенсивности максимум в 10 раз.

Что дает высокая интенсивность синхротронного излучения? Во-первых, эксперименты можно проводить во много раз быстрее. Это позволяет проводить на станциях синхротрона намного больше экспериментов, чем в лаборатории.

Следующее преимущество — можно исследовать маленькие образцы и обнаруживать более тонкие эффекты. Возьмем стандартную флюорографию, которую рекомендуется проходить каждые полгода-год — это просвечивание тканей рентгеновским пучком. Здесь контраст изображения возникает из-за разной плотности тканей — например, кости плотнее, чем мягкие ткани, поэтому они сильнее поглощают излучение, получаются более темными.

В случае синхротронного излучения возникают новые механизмы формирования контрастов — за счет того, что пучок параллельный, происходит не поглощение, а преломление. Благодаря такому контрасту, который называют фазовым, изображение будет намного более детализированным: будут видны границы не только тканей, а клеток и их составляющих, органелл.

Рентгеновское излучение, вырабатываемое синхротронами, распределяется непрерывно. У лабораторных трубок — специфический линейный спектр. Непрерывный спектр означает, что для каждого эксперимента можно выбирать длину волны, оптимальную для его условий. Это еще одна составляющая универсальности синхротрона.

Следует отметить и временные характеристики СИ. Все мы знаем об обычной телевизионной частоте 24 кадра в секунду (24 Гц), нам также известно, что человеческий глаз может заметить «мерцания» на частоте не выше 48 кадров в секунду (48 Гц). Эффект slow motion (замедленная съемка) достигается путем увеличения числа кадров в секунду в несколько раз. Некоторые современные смартфоны могут снимать видео с частотой порядка 1000 кадров в секунду (1 кГц), а профессиональные камеры 200 000 кадров в секунду (200 кГц). На современных источниках СИ возможно наблюдать за процессами на частоте в 1000 раз больше, чем на самой лучшей профессиональной видеокамере. (360 млн кадров в секунду, или 360 МГц). При таких условиях уже доступны исследования сверхбыстрых процессов, например, взрывной процесс.

Уникальные свойства СИ: высокая яркость и интенсивность, непрерывный спектр, узко-направленность излучения определили привлекательность источников СИ для различных областей современной науки: химия, биология, генетика, физика твердого тела, кристаллография, геология и экология, материаловедение, нанотехнологии, медицина, технические науки и пр. Центры синхротронного излучения, обеспечивающие проведение различных фундаментальных и прикладных исследований, являются также базой для разработки новых уникальных технологий.

Еще одним показателем востребованности СИ является тот факт, что за последние 20 лет 6 нобелевских премий было вручено работам, результаты которых были получены с использованием синхротронного излучения. Не удивительно, что из 50 специализированных источников СИ в мире, львиная доля приходится на Европу (16), Японию (15) и США (11). Можно утверждать, что наличие центров синхротронного излучения, наравне с ядерными исследованиями и космосом, является признаком научно-технической развитости.

В нашей стране есть 2 действующих центра СИ, на вооружении которых имеются 4 источника 1-го (ВЭПП-3, ВЭПП-4) и 2-го (Сибирь-2) поколения. Чем выше поколение источника (на данный момент всего 4 поколения), тем выше яркость пучка СИ, меньше размер пучка, больше мощность излучения. В данном случае может быть уместно сравнение с поколениями реактивных истребителей. На тех и других самолетах можно долететь до требуемого места, выполнить поставленные задачи, но на истребителях ранних поколений невозможно достичь скорости звука и добраться до тех высот, которые стали доступны современным машинам.

Источник

Следующая новость
Предыдущая новость

Хорватия – Дания 1 июля: прямая-онлайн трансляция Шансы Гвинеи на победу в группе С выше, чем в Нигерии Число жертв пожаров в Греции возросло до 50 человек Ипотека Сбербанка 2018 год: ставки и условия по ипотеке Ставки и прогноз на матч Бразилия — Коста-Рика, 22 июня

ЦИТАТА "Подтверждение долгосрочных РДЭ отражает неизменное мнение Fitch о перспективах поддержки банков."
© Fitch Ratings
Лента публикаций