Bremsstrahlung in Synchrotrons

OK, nach der Diskussion in den Kommentaren glaube ich zu sehen, woher Ihre Verwirrung stammt.

Sie können ein Kästchen zeichnen und sagen

"Diese Reaktion zwischen einem Photon, einem Elektron und einem Kern ist isoliert und erhält den Impuls" ,

man könnte aber auch ein etwas anderes Kästchen zeichnen und sagen

"Diese Reaktion zwischen einem Photon und einem Elektron unterliegt einer äußeren Kraft, weshalb sie keinen Impuls erhält" ¹

wo die Kraft durch das Feld eines Kerns bereitgestellt wird. Aber in der letztgenannten Ansicht benötigen Sie nicht den Kern , sondern das Feld .

Im Zusammenhang mit Wechselwirkungen zwischen ionisierender Strahlung und Materie ist Bremsstrahlung an einem Kern beteiligt und wird normalerweise mit Begriffen wie der ersteren diskutiert. Weil Kerne die Quelle starker Felder sind, die in diesen Zusammenhängen vorhanden sind.

Aber wenn wir als Experimentatoren einen Wiggler (oder auch nur einen Biege- oder Fokussiermagneten) bereitstellen, stellen wir das Feld an Orten bereit, an denen eine vernachlässigbare Anzahl von Kernen vorhanden ist (in der evakuierten Strahlröhre), also müssen wir den Prozess beobachten in den letzteren Begriffen.

¹ An dieser Stelle führt die strenge sprachliche Unterscheidung zwischen „erhält [X]“ und „gesamtes [X] des Systems ist konstant“, die einige Autoren heutzutage machen, zu einer wirklich übermäßigen Wortfülle. Natürlich bleibt die globale Dynamik erhalten; aber einiges wird vom Elektron/Photonen-System in Form eines nicht-trivialen Poynting-Vektors im Feld weggetragen.

Um Verwirrung auszuräumen, möchte ich zunächst darauf hinweisen, dass die Magnete von Wigglern und Undulatoren (Einführvorrichtungen) in einem Synchrotron so zusammengesetzt sind, dass sie stark fokussierte Synchrotronstrahlung erzeugen (d. h. ihre Magnetfelder wirken auf die Elektronen im Synchrotron). so, dass sie Synchrotronstrahlung abstrahlen). Diese Art von Strahlung wird nicht als Bremsstrahlung betrachtet.

Wiggler und Undulatoren können jedoch auch Quelle von Bremsstrahlung sein, wenn ein Elektron aus der vorgesehenen Umlaufbahn auf sie trifft und entschleunigt wird, wodurch Bremsstrahlung erzeugt wird. Dieses Szenario ist nicht so selten, wie es scheinen mag. Die Magnete von Insertionsgeräten sind vertikal viel näher am Strahl als die Wände der Vakuumkammer, in die der Strahl normalerweise außerhalb dieser Geräte geführt wird. Um also durch die Einführvorrichtungen zu gelangen, muss der Strahl vertikal stärker fokussiert werden als außerhalb der Einführvorrichtungen.

Dies zeigt die Bedeutung einer starken Fokussierung des Elektronenstrahls, die jedoch zu sekundären Effekten führt, zum Beispiel wirft die Intra-Bunch-Streuung von Elektronen Elektronen aus dem Phasenraum, in dem sie sich befinden müssen, um auf der Umlaufbahn zu bleiben. Solche Elektronen können auf die Magnete der Einführvorrichtungen treffen und starke Bremsstrahlung erzeugen.

Eine weitere Bremsstrahlungsquelle sind übrigens Restgase von Restionen im "Vakuum", auf die Elektronen auf ihrer Umlaufbahn treffen können. Die Kollision führt zur Emission von Bremsstrahlung. Es werden immer einige Ionen in der Vakuumkammer sein, weil die Vakuumkammer Synchrotronstrahlung ausgesetzt ist, die die Desorption von Ionen von den Vakuumkammerwänden erleichtert.

Schließlich bewegen kontrollierte oder unkontrollierte Strahlverluste Elektronen aus ihrer gewohnten Umlaufbahn, so dass sie auf Einführvorrichtungen oder Vakuumkammerwände treffen können. Beide Kollisionen führen auch zu Bremsstrahlung.

All diese Prozesse sind unerwünscht und deshalb werden Synchrotrons so konstruiert, dass sie möglichst unterdrückt werden. Dennoch lassen sich die Effekte nicht vollständig vermeiden und daher bleibt die Bremsstrahlung die wichtigste Quelle der Strahlenbelastung eines Synchrotrons.