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Sỵnchrotronstrahlung,

 

elektromagnetische Strahlung, die von hochrelativistischen elektrisch geladenen Teilchen, d. h. Teilchen mit Geschwindigkeiten in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit c, ausgestrahlt wird, wenn sie beschleunigt werden. Die Synchrotronstrahlung wurde 1947 an einem Synchrotron entdeckt. Sie tritt aber prinzipiell an allen Ringbeschleunigern auf, weil in ihnen die Teilchen durch Dipolmagnete (Ablenkmagnete) auf die Ringbahn gezwungen und dabei in radialer Richtung beschleunigt werden. Im Vergleich zum Betrag dieser Beschleunigung kann der Betrag der Beschleunigung in Richtung der Teilchenbahn im Zusammenhang der Synchrotronstrahlung vernachlässigt werden; sie tritt auch dann auf, wenn die Teilchen ohne longitudinale Beschleunigung im Ring umlaufen. Haben die Teilchen die Ruhemasse m und die relativistische Gesamtenergie E und bewegen sie sich auf einer Bahn mit dem Krümmungsradius R, so ist die durch Synchrotronstrahlung abgestrahlte Leistung proportional zu (E / m)⁴ / R², woraus folgt, dass die Leistung der Synchrotronstrahlung sehr stark von der Teilchenmasse abhängt; tatsächlich wird Synchrotronstrahlung praktisch nur an leichten Teilchen wie Elektronen und Positronen beobachtet. Da es für die Entstehung der Synchrotronstrahlung nur auf die Beschleunigung, also auf die Ablenkung durch das Magnetfeld, ankommt, ist sie nicht an Beschleuniger gebunden. Unter geeigneten Bedingungen kann Synchrotronstrahlung überall entstehen. Von großer Bedeutung ist sie z. B. auch in der Astrophysik, wo sie als Teil der nichtthermischen Radiostrahlung u. a. von Flares, Supernovaüberresten, Radiogalaxien und Quasaren eine große Rolle spielt. Sie wird dort auf die Bewegung relativistischer Elektronen in den mit den kosmischen Objekten verbundenen Magnetfeldern zurückgeführt.

 

In Beschleunigern wird die Synchrotronstrahlung in einer scharf gebündelten Keule tangential zur Bahn der Teilchen in deren Geschwindigkeitsrichtung emittiert. Der Öffnungswinkel der Keule, die aus einer Haupt- und zwei Nebenkeulen besteht, beträgt nur etwa m c² / E. Die damit gegebene natürliche Kollimation ist einer der größten Vorzüge der Synchrotronstrahlung bei deren experimenteller und technischer Anwendung. Die in der Ebene der Kreisbahn emittierte Synchrotronstrahlung ist linear polarisiert, mit der Polarisationsebene in der Kreisebene. Außerhalb der Kreisbahn führen die senkrecht zu dieser polarisierten Anteile der Nebenkeulen zu einer im Allgemeinen elliptischen Polarisation. Das Spektrum der Synchrotronstrahlung reicht vom Hochfrequenzbereich bis zur Röntgen- und Gammastrahlung, wobei das Gebiet vom Vakuumultraviolett bis zur Röntgenstrahlung für die Anwendungen von besonderem Interesse ist. Die Frequenzobergrenze liegt bei etwa c E³ / (2πm³c⁶R). Mithilfe geeigneter Monochromatoren kann der jeweils gewünschte enge Frequenzbereich ausgewählt werden.

 

Die besonderen Eigenschaften der Synchrotronstrahlung haben in den letzten Jahren zu deren verbreiteter Anwendung, insbesondere in Physik, Chemie, in der Halbleitertechnik (Röntgenlithographie), Biologie und medizinischer Diagnostik geführt. Weltweit wurden zahlreiche Teilchenbeschleuniger gebaut, die ausschließlich der Erzeugung von Synchrotronstrahlung dienen, in Deutschland z. B. BESSY oder HASYLAB am Deutschen Elektronen-Synchrotron, in Grenoble der europäische Elektronenspeicherring ESRF.