सिंक्रोट्रॉन विकिरण

सिंक्रोट्रॉन विकिरण (मैग्नेटोब्रेम्सस्ट्रालंग विकिरण के रूप में भी जाना जाता है) विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्सर्जित होता है जब सापेक्षता के सिद्धांत के आवेशित कण उनके वेग($a &perp; v$) के लंबवत त्वरण के अधीन होते हैं। यह कृत्रिम रूप से कुछ प्रकार के कण त्वरक में, या स्वाभाविक रूप से चुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से चलने वाले तेज इलेक्ट्रॉनों द्वारा निर्मित होता है। इस तरह से उत्पादित विकिरण में एक विशेषता ध्रुवीकरण (तरंगें) होती है और उत्पन्न आवृत्तियाँ विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के एक बड़े हिस्से में हो सकती हैं।

फ़ाइल: रेडियाकाओ एस्केलर SdS.pdf|thumb|डी सिटर ब्रह्मांड में श्वार्जस्चिल्ड मीट्रिक के चारों ओर घूमने वाले स्रोत द्वारा विकिरण उत्सर्जन प्रक्रिया का सचित्र प्रतिनिधित्व।

सिंक्रोट्रॉन विकिरण ब्रेकिंग विकिरण के समान है, जो एक आवेशित कण द्वारा उत्सर्जित होता है जब त्वरण गति की दिशा के समानांतर होता है। चुंबकीय क्षेत्र में कणों द्वारा उत्सर्जित विकिरण के लिए सामान्य शब्द जाइरोमैग्नेटिक रेडिएशन है, जिसके लिए सिंक्रोट्रॉन विकिरण अल्ट्रा-रिलेटिविस्टिक स्पेशल केस है। एक चुंबकीय क्षेत्र में गैर-सापेक्ष रूप से गतिमान आवेशित कणों द्वारा उत्सर्जित विकिरण को साइक्लोट्रॉन विकिरण कहा जाता है। सामान्य आपेक्षिक रेंज (प्रकाश की गति का ≈85%) में कणों के लिए, उत्सर्जन को जाइरो-सिंक्रोट्रॉन विकिरण कहा जाता है।

खगोल भौतिकी में, सिंक्रोट्रॉन उत्सर्जन होता है, उदाहरण के लिए, एक ब्लैक होल के चारों ओर आवेशित कण की अति-सापेक्षतावादी गति के कारण यह क्रिया होती है । जब स्रोत ब्लैक होल के चारों ओर सामान्य सापेक्षता में एक वृत्ताकार जियोडेसिक्स का अनुसरण करता है, तो सिंक्रोट्रॉन विकिरण फोटॉन क्षेत्र के करीब की कक्षाओं के लिए होता है जहां गति अतिसापेक्षिक सीमा(अल्ट्रा-रिलेटिविस्टिक) शासन में होती है।

इतिहास
सिंक्रोट्रॉन विकिरण को पहली बार 24 अप्रैल, 1947 को तकनीशियन फ़्लॉइड हैबर द्वारा न्यूयॉर्क के शेनेक्टैडी में जनरल इलेक्ट्रिक रिसर्च लेबोरेटरी के 70 MeV इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन में देखा गया था। यद्यपि यह निर्मित पहला सिंक्रोट्रॉन नहीं था, यह एक पारदर्शी वेक्यूम - ट्यूब वाला पहला सिंक्रोट्रॉन था, जिससे विकिरण को सीधे देखा जा सकता था।

जैसा कि हर्बर्ट पोलक द्वारा बताया गया है:

"24 अप्रैल को, लैंगमुइर और मैं मशीन चला रहे थे और हमेशा की तरह इलेक्ट्रॉन गन और उससे जुड़े पल्स ट्रांसफॉर्मर को सीमा तक धकेलने की कोशिश कर रहे थे। रुक-रुक कर कुछ चिंगारी निकली थी और हमने तकनीशियन को सुरक्षात्मक कंक्रीट की दीवार के चारों ओर एक दर्पण के साथ निरीक्षण करने के लिए कहा। उन्होंने तुरंत सिंक्रोट्रॉन को बंद करने का संकेत दिया क्योंकि 'उन्होंने ट्यूब में एक चाप देखा'। निर्वात अभी भी उत्कृष्ट था, इसलिए लैंगमुइर और मैं दीवार के अंत में आए और देखा। पहले तो हमने सोचा कि यह चेरेंकोव विकिरण के कारण हो सकता है, लेकिन जल्द ही यह स्पष्ट हो गया कि हम दमित्री इवानेंको (इवानेंको) और इसाक पोमेरांचुक (पोमेरांचुक विकिरण) को देख रहे थे।"

विवरण
मैक्सवेल के समीकरणों का एक सीधा परिणाम यह है कि त्वरित आवेशित कण हमेशा विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्सर्जित करते हैं। सिंक्रोट्रॉन विकिरण सापेक्षिक गति से गतिमान आवेशित कणों का विशेष स्थिति है, जो उनकी गति की दिशा के लम्बवत् त्वरण से सामान्यतः एक चुंबकीय क्षेत्र में निकलते हैं। ऐसे क्षेत्र में, क्षेत्र के कारण बल हमेशा गति की दिशा और क्षेत्र की दिशा दोनों के लंबवत होता है, जैसा कि लोरेंत्ज़ बल द्वारा दिखाया गया है।

विकिरण द्वारा वहन की जाने वाली शक्ति (SI इकाइयों में) सामान्यीकरण आपेक्षिकीय लार्मर सूत्र द्वारा पाई जाती है: $$P_\gamma = \frac{1}{6 \pi \varepsilon_0}\frac{q^2 a^2}{c^3} \gamma^4,$$ जहाँ ,
 * $$\varepsilon_0$$ वैक्यूम परमिटिटिविटी है,
 * $$q$$ कण आवेश है,
 * $$a$$ त्वरण का परिमाण है,
 * $$c$$ प्रकाश की गति है,
 * $$\gamma$$ लोरेंत्ज़ कारक है।

उत्सर्जक इलेक्ट्रॉन पर बल अब्राहम-लोरेंत्ज़-डिराक बल द्वारा दिया गया है।

जब एक विमान में गतिमान कण द्वारा विकिरण उत्सर्जित होता है, तो उस विमान में देखे जाने पर विकिरण रैखिक रूप से ध्रुवीकृत होता है, और एक छोटे कोण पर देखे जाने पर गोलाकार रूप से ध्रुवीकृत होता है।

त्वरक से सिंक्रोट्रॉन विकिरण
वृत्ताकार त्वरक हमेशा जाइरोमैग्नेटिक विकिरण उत्पन्न करेंगे क्योंकि कण चुंबकीय क्षेत्र में विक्षेपित होते हैं। चूंकि, विकिरण की मात्रा और गुण होने वाले त्वरण की प्रकृति पर अत्यधिक निर्भर हैं। उदाहरण के लिए, द्रव्यमान में अंतर के कारण, उत्सर्जित शक्ति के सूत्र में $$\gamma^4$$ के कारक का अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन की दर से लगभग 1013 गुना अधिक ऊर्जा विकीर्ण करते हैं।

परिपत्र त्वरक में सिंक्रोट्रॉन विकिरण से ऊर्जा की हानि को मूल रूप से एक उपद्रव माना जाता था, क्योंकि नुकसान को ऑफसेट करने के लिए बीम को अतिरिक्त ऊर्जा की आपूर्ति की जानी चाहिए। चूंकि, 1980 के दशक की आरम्भ में, प्रकाश स्रोतों के रूप में जाने जाने वाले वृत्ताकार इलेक्ट्रॉन त्वरक का निर्माण अनुसंधान के लिए जानबूझकर सिंक्रोट्रॉन विकिरण के तीव्र बीम उत्पन्न करने के लिए किया गया है।

खगोल विज्ञान में सिंक्रोट्रॉन विकिरण
सिंक्रोट्रॉन विकिरण भी खगोलीय वस्तुओं द्वारा उत्पन्न होता है,सामान्यतः जहां चुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से सापेक्षिक इलेक्ट्रॉन सर्पिल (और इसलिए वेग बदलते हैं)होते है । इसकी दो विशेषताओं में पावर-लॉ ऊर्जा स्पेक्ट्रा और ध्रुवीकरण सम्मिलित हैं। यह अतिरिक्त-सौर चुंबकीय क्षेत्रों के अध्ययन में सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक माना जाता है जहां सापेक्षिक आवेशित कण उपस्थित होते हैं। अधिकांश ज्ञात ब्रह्मांडीय रेडियो स्रोत सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्सर्जित करते हैं। इसका उपयोग अधिकांशतः बड़े ब्रह्मांडीय चुंबकीय क्षेत्रों की ताकत का अनुमान लगाने के साथ-साथ इंटरस्टेलर और इंटरगैलेक्टिक मीडिया की सामग्री का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है।

पता लगाने का इतिहास
इस प्रकार के विकिरण का पहली बार पता मेसियर 87 द्वारा 1956 में जेफ्री बर्बिज द्वारा उत्सर्जित एक जेट में लगाया गया था। जेफ्री आर. बर्बिज, जिन्होंने इसे 1953 में Iosif Samuilovich Shklovsky|Iosif S. Shklovsky द्वारा भविष्यवाणी की पुष्टि के रूप में देखा। चूंकि, इसकी भविष्यवाणी पहले (1950) Hannes Alfvén और Nicolai Herlofson द्वारा की गई थी। सौर ज्वालाएं इस तरह से निकलने वाले कणों को गति देती हैं, जैसा कि 1948 में आर. जियोवानेली द्वारा सुझाया गया था और जे.एच. द्वारा वर्णित किया गया था। 1952 में पिडिंगटन। टीके ब्रूस ने नोट किया कि एस्ट्रोफिजिकल सिंक्रोट्रॉन विकिरण के इतिहास पर प्राथमिकता के प्रश्न जटिल हैं, लेखन: "In particular, the Russian physicist V.L. Ginzburg broke his relationships with I.S. Shklovsky and did not speak with him for 18 years. In the West, Thomas Gold and Sir Fred Hoyle were in dispute with H. Alfven and N. Herlofson, while K.O. Kiepenheuer and G. Hutchinson were ignored by them."



अत्यधिक द्रव्यमान वाला काला सुरंग से
यह सुझाव दिया गया है कि सुपरमैसिव ब्लैक होल जेट्स में सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्पन्न करते हैं, जो उनके ध्रुवीय चुंबकीय क्षेत्रों में आयनों के गुरुत्वाकर्षण त्वरण द्वारा उत्पन्न होते हैं। निकटतम ऐसा देखा गया जेट आकाशगंगा मेसियर 87 के मूल से है। यह जेट पृथ्वी के फ्रेम से देखे गए अतिचमक गति के भ्रम उत्पन्न करने के लिए रोचक है। यह घटना इसलिए होती है क्योंकि जेट प्रकाश की गति के बहुत निकट और प्रेक्षक की ओर बहुत छोटे कोण पर यात्रा कर रहे हैं। क्योंकि उनके पथ के प्रत्येक बिंदु पर उच्च-वेग जेट प्रकाश उत्सर्जित कर रहे हैं, जो प्रकाश वे उत्सर्जित करते हैं वह जेट की तुलना में प्रेक्षक के पास अधिक तेज़ी से नहीं पहुंचता है। यात्रा के सैकड़ों वर्षों में उत्सर्जित प्रकाश इस प्रकार बहुत कम समय अवधि में प्रेक्षक तक पहुंचता है, इस तथ्य के अतिरिक्त कि वास्तव में विशेष सापेक्षता का कोई उल्लंघन नहीं है, प्रकाश यात्रा की तुलना में तेज होने का भ्रम देता है।

पलसर पवन नीहारिका
खगोलीय पिंडों का एक वर्ग जहां सिंक्रोट्रॉन उत्सर्जन महत्वपूर्ण है,वह पल्सर पवन नीहारिका है, जिसे प्लेरियन्स ्स के रूप में भी जाना जाता है, जिनमें से केकड़ा नीहारिका और इससे जुड़े पल्सर आर्किटेपल हैं।

संभवतः पल्सर के चारों ओर शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र में फंसे इलेक्ट्रॉनों द्वारा सिंक्रोट्रॉन उत्सर्जन के कारण केकड़े से स्पंदित उत्सर्जन गामा-किरण विकिरण हाल ही में ≥25 GeV तक देखा गया है,

0.1 से 1.0 मेव की ऊर्जा पर, क्रैब नेबुला में ध्रुवीकरण सिंक्रोट्रॉन विकिरण की इस विशिष्ट गुण को दर्शाता है।

इंटरस्टेलर और इंटरगैलेक्टिक मीडिया
इंटरस्टेलर माध्यम और इंटरगैलेक्टिक माध्यम के चुंबकीय वातावरण के बारे में जो कुछ भी जाना जाता है, वह सिंक्रोट्रॉन विकिरण के अवलोकन से प्राप्त होता है। माध्यम के माध्यम से चलने वाले ब्रह्मांडीय किरण इलेक्ट्रॉन सापेक्षवादी प्लाज्मा के साथ परस्पर क्रिया करते हैं और पृथ्वी पर पाए जाने वाले सिंक्रोट्रॉन विकिरण का उत्सर्जन करते हैं। विकिरण के गुण खगोलविदों को इन क्षेत्रों में चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और अभिविन्यास के बारे में अनुमान लगाने की अनुमति देते हैं। चूँकि, सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉन घनत्व को जाने बिना क्षेत्र की ताकत की स्पष्ट गणना नहीं की जा सकती है।

संदर्भ

 * Brau, Charles A. Modern Problems in Classical Electrodynamics. Oxford University Press, 2004. ISBN 0-19-514665-4.
 * Jackson, John David. Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, 1999. ISBN 0-471-30932-X

बाहरी संबंध

 * Cosmic Magnetobremsstrahlung (synchrotron Radiation), by Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1965
 * Developments in the Theory of Synchrotron Radiation and its Reabsorption, by Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1969
 * Lightsources.org
 * BioSync – a structural biologist's resource for high energy data collection facilities
 * X-Ray Data Booklet