Các electron quay tròn trong từ trường liên tục mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (photon) phát ra tiếp tuyến từ quỹ đạo. Bức xạ này gọi tên là bức xạ synchrotron. Nó được John Blewett tiên đoán vào năm 1945 khi ông tính được rằng một chùm electron quay tròn sẽ mất năng lượng bởi sự phát ra bức xạ và giảm dần bán kính cong. Bức xạ synchrotron sau đó được quan sát thấy tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu của công ti General Electric vào năm 1947 từ một synchrotron electron 700 MeV.
74 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
Bức xạ điện từ, ví dụ, phát ra từ một ănten được gây ra, theo hệ phương trình Maxwell, bởi các electron chuyển động với vận tốc không đều. Trong synchrotron, quỹ đạo electron liên tục bị lệch và do sự thay đổi liên tục về hướng như thế này mà bức xạ điện từ (photon) được phát ra liên tục theo đường thẳng tiếp tuyến với quỹ đạo. Bức xạ synchrotron cũng quan trọng trong thiên văn học. Nhiều thiên hà phát ra bức xạ synchrotron là kết quả của các electron quay tròn trong từ trường (của thiên hà). Bức xạ phát ra từ những thiên hà vô tuyến như thế được nghiên cứu bằng các kính thiên văn cỡ lớn.
Sự mất mát năng lượng lớn tăng theo lũy thừa bốn của năng lượng electron là nguyên nhân chính lí giải vì sao khó và không thể sử dụng synchrotron cho việc gia tốc electron lên các năng lượng cao như proton. Năng lượng cao nhất từ trước đến nay, 104.000 MeV, thu được ở LEP đối với các electron đã được gia tốc trong tầng hầm dưới lòng đất dài 27 km tại CERN. Bức xạ synchrotron dư thừa khoảng 13 megawatt là nguyên nhân tại sao một synchrotron electron lớn hơn LEP không được đề xuất.
Bức xạ synchrotron, cái do đó giới hạn năng lượng có thể đạt tới trong các máy gia tốc electron tròn, hóa ra là một lựa chọn rất hấp dẫn cho các nguồn tia X và tia tử ngoại thông thường dùng cho nghiên cứu yêu cầu dòng photon cao. Bức xạ synchrotron phát ra tiếp tuyến với quỹ đạo, có dạng xung, bị phân cực và xuất hiện với cường độ cao trên một vùng phổ bước sóng rộng. Một bước sóng như yêu cầu được chọn bằng sự nhiễu xạ trong tinh thể thích hợp hay cách tử, gọi là bộ lọc đơn sắc. Từ này phát sinh do sự tương tự với cách thức một màu của ánh sáng có thể được chọn ra từ ánh sáng trắng bằng phương tiện lăng kính.
Những thí nghiệm đầu tiên sử dụng bức xạ synchrotron đã được khởi xướng hơn 30 năm trước tại các synchrotron chủ yếu sử dụng cho nghiên cứu về các hạt cơ bản. Bây giờ, nhiều synchrotron được sử dụng rộng rãi làm những nguồn photon mạnh trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới, ví dụ tại Stanford, Brookhaven (Long Island), Argonne (Illinois), Berkeley (California), Daresbury (Anh), Orsay (Paris), Grenoble, Berlin, Hamburg, Lund, Tsukuba (phía bắc Tokyo) và SPring8 ở Harima, quận Hyogo, miền tây Nhật, Bản đã nhắc tới một số trong những tổ hợp lớn này. Thông tin thêm về các thiết bị bức xạ synchrotron có thể tìm trên bảng niêm yết của Thiết bị Bức xạ Synchrotron châu Âu ở Grenoble.
Các electron trữ cho mục đích bức xạ synchrotron thường có năng lượng trong ngưỡng từ 500 tới 8.000 MeV và cung cấp bức xạ với bước sóng từ ánh sáng hồng ngoại tới tia X cứng. Trong số những ứng dụng mới sẽ phải đề cập tới các phép đo tọa độ nguyên tử tại bề mặt chất rắn, nhiễu xạ từ các chấm và viền lượng tử và tinh thể học protein cho thiết kế thuốc thông minh từ cấu trúc nguyên tử đo được của protein. Bức xạ synchrotron có bước sóng ngắn cũng làm tăng thêm hứng thú về vi điện tử học hiện đại, nơi các chi tiết nhỏ nhất có thể phân giải được ngày nay bị hạn chế bởi bước sóng của bức xạ dùng để in khắc. Các bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến là cần thiết để tạo ra các ranh giới sắc nhọn trên các bản mạch in sẵn với công nghệ hạ micron.
Laser Electron Tự do, FEL, là một đề tài nghiên cứu quan trọng của nhiều phòng thí nghiệm máy gia tốc electron. FEL gồm một chùm electron năng lượng cao đi qua một từ trường
© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 75 ngang tuần hoàn có hướng xen kẽ. Các trường này làm cho electron uốn cong và thực hiện một chuyển động dạng sóng. Tại mỗi lần uốn cong, các xung bức xạ synchrotron rất ngắn được phát ra bởi các electron khi chúng thực hiện một số lượng lớn lần uốn. Bức xạ synchrotron phát ra tại mỗi lần uốn cộng kết hợp và theo cách này, một xung bức xạ sóng ngắn gần như đơn sắc liên tiếp được tạo ra. Bước sóng của bức xạ phụ thuộc vào năng lượng của chùm electron và vào từ trường tuần hoàn gây ra chuyển động sóng. Bằng cách tăng năng lượng của chùm electron, nt có thể làm cho bước sóng của bức xạ ngắn hơn. So với một laser thông thường, FEL có thể điều chỉnh liên tục đến bất kì bước sóng nào, và có thể thu được các bức xạ có bước sóng ngắn. Hiện nay, có những dự án phát triển về FEL tia X tại DESY ở Hamburg, KEK ở Tsukuba và tại SLAC ở Stanford. Mục tiêu là có thể tạo ra bức xạ đơn sắc xuống tới bước sóng một phần mười nanomet (nm).
Phòng thí nghiệm cho bức xạ synchrotron phát ra từ vòng trữ electron ở Hamburg.
Ảnh toàn cảnh Thiết bị Bức xạ Synchrotron châu Âu, ESRF, ở Grenoble.
Vào đầu năm 2000, một kỉ lục mới cho bước sóng bức xạ ngắn nhất từng có với laser electron tự do (FEL) đã thu được tại DESY, Hamburg. Bức xạ xuống tới bước sóng 80 nm đã thu được và bức xạ đó có thể điều chỉnh trong phạm vi 80 đến 100 nm. Nghiên cứu tiếp tục tại DESY và những nơi khác nhắm tới mục tiêu giảm những bước sóng này đi một bậc độ lớn trong vài năm tới.
Một số hạt khảo sát khác nhau và khả năng của chúng phân giải các đối tượng có kích thước nhỏ. Giá trị tiêu biểu cho động năng và bước sóng tương ứng cho theo đơn vị electronvolt (eV) và picomet (pm). Về nguyên tắc, các đối tượng có thể được phân giải nếu như chúng lớn hơn một bước sóng của ánh sáng chiếu vào.
76 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
Nguồn Hạt Năng lượng [eV] Bước sóng [nm] Đối tượng
Đèn, laser 2 600,000 Tế bào
Kính hiển vi điện tử e 200,000 2 .5 Phân tử
Ống tia X X 60,000 20 Nguyên tử
Lò phản ứng n 1 30 Nguyên tử
van de Graaff p 6,000 000 0 .01 Hạt nhân
cyclotron p 100,000,000 0 .003 Hạt nhân
Máy gia tốc thẳng e 45,000,000,000 0 .00003 quark
synchrotron p 500,000,000,000 0 .000002 nucleon*
* Do kích thước có hạn riêng của nó, một proton không thể khảo sát phần bên trong của một proton khác tuy có bước sóng rất nhỏ.
Nguyên bản: Accelerators and Nobel Laureates (nobelprize.org)
hiepkhachquay dịch
Kiên Giang, bên bờ sông Cái Lớn, Xuân Mậu Tý 2008 07/02/2008, 18:18:39