Г. Диаметром в метр всего…
В.М. В журнале «Курьер ЦЕРНа» рядом с этой фотографией помещена фотография современного накопителя энергии в Гренобле, где диаметр - порядка сотен метров. Мы его покажем позже. А это само излучение, так его видно.
Теперь поговорим про само излучение, про его свойства. Как устроен ускоритель: это четыре квадранта, в самом простом случае, может быть и больше. Квадранты раздвинуты, это прямолинейные промежутки, где устанавливаются резонаторы для того, чтобы подталкивать электроны. Их может быть не только четыре, но это уже детали.
А.Г. Принципиальная схема ясна.
В.М. Да, принципиальная схема начинается с четырех. Инжектор, линейный ускоритель… Еще на слайде виден красненький сгусток. Идеальный сгусток электронов в 3 сантиметра, и тогда время излучения этого сгустка всего 100 пикосекунд, такое короткое время. Накопитель по схеме мало будет отличаться, схема будет похожая.
А вот дальше мы перейдем к теории без формул. Ускоряемый заряд, если он не релятивистский, будет излучать диполь Герца. А если скорости приближаются к скорости света, а они весьма приближаются - скорость электрона с энергией 6 ГэВ будет такая: шесть девяток после нуля. Для экспериментатора это вообще почти скорость света, но, как мы знаем, по теории относительности здесь не может быть скорости света.
А здесь показано два случая. Первый случай, скорость и ускорение совпадают, и по формуле Джексона излучение диполя вытягивается в направлении ускорения. Но этот случай малоинтересен. А вот в другом случае, когда электрон движется по круговой орбите, очень интересный, трансформируется этот диполь Герца, трансформируется совсем по-другому. Нижняя половинка его вытягивается в нижнюю диаграмму направленности, а вторая половинка натягивается на неё. То есть мы видим боковые стороны источника, вот такой эффект потрясающий. Но вообще в искусстве это известно как «обратная перспектива» (в иконах, например).
А вот тут уже трехмерное изображение диаграммы направленности, так выглядит мгновенное излучение электрона. Угол расхождения…
В.Х. Обратно пропорционален энергии электрона. Поэтому чем больше энергия, тем меньше угол, в котором сосредоточено излучение, тем лучше угловая направленность, тем уже световой пучок.
В.М. А дальше по орбите как грязь с колеса, со всех точек, где электрон поворачивает, будет идти синхротронное излучение. И поэтому можно на этом источнике сделать десятки выводов, и одного источника может хватить на всех физиков страны. Чего на самом деле пока у нас не сделано.
В.Х. Но сколько туда нужно закачать энергии, чтобы получить столько излучения.
А здесь показан спектр излучения для одного, двух, трех, четырех, пяти, шести ГэВ. При шести ГэВ максимум излучения при десятых ангстрема, это область рентгеновского спектра. В ЦЕРНе работал до последнего времени коллайдер 170 ГэВ, максимум был в области гамма-излучения, но никто не использовал это синхротронное излучение. Сейчас его разобрали и строят коллайдер на 14 ТэВ для того, чтобы искать там Хигсовский бозон.
На левом графике угловое распределение синхротронного излучения для разных длин волн. Более жесткое излучение более остро направлено. Получается так, если вы смотрите на него: в центре рентген, потом ультрафиолет, синий и на краях - красный.
Это позволяет отделить в эксперименте жесткую часть излучения от мягкой. И на самом деле такие угловые и спектральные характеристики делают источник уникальным.
А вот этот график получил наш коллега Олег Куликов, рано погибший - помимо того, что он был очень хорошим физиком, он был и альпинистом. Куликов экспериментально получил такие поляризационные характеристики. Он показал, что в плоскости орбиты почти 98% линейной поляризации. А если мы уходим от плоскости орбиты, появляется другая компонента, с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости орбиты. Получается круговая поляризация. То есть по поляризационным характеристикам получается совершенно уникальный источник, потому что материалов, которые здесь можно использовать для поляризации, нет. Природа сама дала источник с такими характеристиками, при которых можно получить линейную поляризацию, круговую, в промежуточных точках - элиптическую. Кстати, как раз поляризационные характеристики позволили доказать, что из Крабовидной туманности к нам приходит синхротронное излучение.
А.Г. Вы сказали, что природа дала источник, но дала его странным образом - после того как технология была готова, чтобы этот источник разглядеть. А наблюдательные данные подтверждает то, что есть и в природе.
В.Х. Я хочу здесь пару слов сказать. Я не знаю, насколько подготовлена наша аудитория… Один ГэВ - это энергия, которая в две тысячи раз больше, чем энергия покоя электрона, то есть энергия электрона, который движется с очень маленькой скоростью. Я для порядка скажу еще, что энергия покоя электрона приблизительно равна 0.5 МэВ, отсюда получаем 1000 МэВ или 1 ГэВ.
Теперь, что касается природы. Вообще говоря, если посмотреть с точки зрения фундаментальности и уникальности явления, то едва ли можно сказать, что это уникальное явление. Всякий ускоренно движущийся заряженный источник - когда он, как электрон в магнитном поле, движется по круговой орбите - излучает.
Для того чтобы было такого типа излучение, с такими свойствами, важно другое. Движение по круговой орбите, это раз, и релятивистские энергии, это два. И необходимо, чтобы движение заряда было с ускорением, например, с центростремительным ускорением.
Были разные модели. Виталий Васильевич уже сказал о Крабовидной туманности. Действительно, считалось, что это излучение от электронов, которые движутся в галактических магнитных полях, наша Галактика заполнена магнитными полями. Что это синхротронное, а точнее магнитно-тормозное излучение электронов можно было определить по спектру излучения. Кроме того, примерно известны напряженности магнитных полей звезд, галактик и так далее. Поэтому это излучение отождествляется с синхротронным.
Но я ещё хочу сказать о другом эффекте, который обсуждался очень интенсивно лет 30 назад, и с ним тоже были связаны большие надежды, по существу, научный переворот, о гравитационном синхротронном излучении. Было затрачено много средств, особенно в Америке, были уникальные эксперименты по поиску источника гравитационных волн синхротронного типа.
В частности, в одной из моделей предполагалось, что в центре нашей галактики есть огромная, массивная черная дыра, с массой больше массы Солнца примерно десять в восьмой степени раз. И космические частицы, двигаясь вокруг черной дыры по почти светогеодезическим траекториям с колоссальной скоростью, излучали гравитационные волны ровно таким же синхротронным механизмом за счет того, что эти частицы обладали центростремительным ускорением. Вот такое излучение пытались наблюдать на Земле. Были экспериментальные работы, в частности, группы Вебера, которые вроде бы показывали, что такое излучение наблюдалось, но, к сожалению, никакие другие лаборатории не подтвердили эти эксперименты.
И ещё буквально два слова, тоже, наверное, для аудитории, насчет линейной поляризации и циркулярной, круговой поляризации. Электромагнитное поле излучения, как известно, характеризуется взаимно-перпендикулярными электрическим и магнитным векторами.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63
В.М. В журнале «Курьер ЦЕРНа» рядом с этой фотографией помещена фотография современного накопителя энергии в Гренобле, где диаметр - порядка сотен метров. Мы его покажем позже. А это само излучение, так его видно.
Теперь поговорим про само излучение, про его свойства. Как устроен ускоритель: это четыре квадранта, в самом простом случае, может быть и больше. Квадранты раздвинуты, это прямолинейные промежутки, где устанавливаются резонаторы для того, чтобы подталкивать электроны. Их может быть не только четыре, но это уже детали.
А.Г. Принципиальная схема ясна.
В.М. Да, принципиальная схема начинается с четырех. Инжектор, линейный ускоритель… Еще на слайде виден красненький сгусток. Идеальный сгусток электронов в 3 сантиметра, и тогда время излучения этого сгустка всего 100 пикосекунд, такое короткое время. Накопитель по схеме мало будет отличаться, схема будет похожая.
А вот дальше мы перейдем к теории без формул. Ускоряемый заряд, если он не релятивистский, будет излучать диполь Герца. А если скорости приближаются к скорости света, а они весьма приближаются - скорость электрона с энергией 6 ГэВ будет такая: шесть девяток после нуля. Для экспериментатора это вообще почти скорость света, но, как мы знаем, по теории относительности здесь не может быть скорости света.
А здесь показано два случая. Первый случай, скорость и ускорение совпадают, и по формуле Джексона излучение диполя вытягивается в направлении ускорения. Но этот случай малоинтересен. А вот в другом случае, когда электрон движется по круговой орбите, очень интересный, трансформируется этот диполь Герца, трансформируется совсем по-другому. Нижняя половинка его вытягивается в нижнюю диаграмму направленности, а вторая половинка натягивается на неё. То есть мы видим боковые стороны источника, вот такой эффект потрясающий. Но вообще в искусстве это известно как «обратная перспектива» (в иконах, например).
А вот тут уже трехмерное изображение диаграммы направленности, так выглядит мгновенное излучение электрона. Угол расхождения…
В.Х. Обратно пропорционален энергии электрона. Поэтому чем больше энергия, тем меньше угол, в котором сосредоточено излучение, тем лучше угловая направленность, тем уже световой пучок.
В.М. А дальше по орбите как грязь с колеса, со всех точек, где электрон поворачивает, будет идти синхротронное излучение. И поэтому можно на этом источнике сделать десятки выводов, и одного источника может хватить на всех физиков страны. Чего на самом деле пока у нас не сделано.
В.Х. Но сколько туда нужно закачать энергии, чтобы получить столько излучения.
А здесь показан спектр излучения для одного, двух, трех, четырех, пяти, шести ГэВ. При шести ГэВ максимум излучения при десятых ангстрема, это область рентгеновского спектра. В ЦЕРНе работал до последнего времени коллайдер 170 ГэВ, максимум был в области гамма-излучения, но никто не использовал это синхротронное излучение. Сейчас его разобрали и строят коллайдер на 14 ТэВ для того, чтобы искать там Хигсовский бозон.
На левом графике угловое распределение синхротронного излучения для разных длин волн. Более жесткое излучение более остро направлено. Получается так, если вы смотрите на него: в центре рентген, потом ультрафиолет, синий и на краях - красный.
Это позволяет отделить в эксперименте жесткую часть излучения от мягкой. И на самом деле такие угловые и спектральные характеристики делают источник уникальным.
А вот этот график получил наш коллега Олег Куликов, рано погибший - помимо того, что он был очень хорошим физиком, он был и альпинистом. Куликов экспериментально получил такие поляризационные характеристики. Он показал, что в плоскости орбиты почти 98% линейной поляризации. А если мы уходим от плоскости орбиты, появляется другая компонента, с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости орбиты. Получается круговая поляризация. То есть по поляризационным характеристикам получается совершенно уникальный источник, потому что материалов, которые здесь можно использовать для поляризации, нет. Природа сама дала источник с такими характеристиками, при которых можно получить линейную поляризацию, круговую, в промежуточных точках - элиптическую. Кстати, как раз поляризационные характеристики позволили доказать, что из Крабовидной туманности к нам приходит синхротронное излучение.
А.Г. Вы сказали, что природа дала источник, но дала его странным образом - после того как технология была готова, чтобы этот источник разглядеть. А наблюдательные данные подтверждает то, что есть и в природе.
В.Х. Я хочу здесь пару слов сказать. Я не знаю, насколько подготовлена наша аудитория… Один ГэВ - это энергия, которая в две тысячи раз больше, чем энергия покоя электрона, то есть энергия электрона, который движется с очень маленькой скоростью. Я для порядка скажу еще, что энергия покоя электрона приблизительно равна 0.5 МэВ, отсюда получаем 1000 МэВ или 1 ГэВ.
Теперь, что касается природы. Вообще говоря, если посмотреть с точки зрения фундаментальности и уникальности явления, то едва ли можно сказать, что это уникальное явление. Всякий ускоренно движущийся заряженный источник - когда он, как электрон в магнитном поле, движется по круговой орбите - излучает.
Для того чтобы было такого типа излучение, с такими свойствами, важно другое. Движение по круговой орбите, это раз, и релятивистские энергии, это два. И необходимо, чтобы движение заряда было с ускорением, например, с центростремительным ускорением.
Были разные модели. Виталий Васильевич уже сказал о Крабовидной туманности. Действительно, считалось, что это излучение от электронов, которые движутся в галактических магнитных полях, наша Галактика заполнена магнитными полями. Что это синхротронное, а точнее магнитно-тормозное излучение электронов можно было определить по спектру излучения. Кроме того, примерно известны напряженности магнитных полей звезд, галактик и так далее. Поэтому это излучение отождествляется с синхротронным.
Но я ещё хочу сказать о другом эффекте, который обсуждался очень интенсивно лет 30 назад, и с ним тоже были связаны большие надежды, по существу, научный переворот, о гравитационном синхротронном излучении. Было затрачено много средств, особенно в Америке, были уникальные эксперименты по поиску источника гравитационных волн синхротронного типа.
В частности, в одной из моделей предполагалось, что в центре нашей галактики есть огромная, массивная черная дыра, с массой больше массы Солнца примерно десять в восьмой степени раз. И космические частицы, двигаясь вокруг черной дыры по почти светогеодезическим траекториям с колоссальной скоростью, излучали гравитационные волны ровно таким же синхротронным механизмом за счет того, что эти частицы обладали центростремительным ускорением. Вот такое излучение пытались наблюдать на Земле. Были экспериментальные работы, в частности, группы Вебера, которые вроде бы показывали, что такое излучение наблюдалось, но, к сожалению, никакие другие лаборатории не подтвердили эти эксперименты.
И ещё буквально два слова, тоже, наверное, для аудитории, насчет линейной поляризации и циркулярной, круговой поляризации. Электромагнитное поле излучения, как известно, характеризуется взаимно-перпендикулярными электрическим и магнитным векторами.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63