miniatura|La línia blava representa el recorregut que fan els electrons dins els anells d'emmagatzement del sincrotró a causa dels imants en verd. La radiació de sincrotró surt tangent a la trajectòria d'aquests electrons en determinats punts del recorregut. La radiació de sincrotró és una radiació electromagnètica característica produïda per partícules carregades, com ara electrons, que es mouen a velocitats properes a la velocitat de la llum, en una trajectòria corbada, per exemple per un camp magnètic. Com més ràpid es mouen els electrons, més curta és la longitud d'ona de la radiació. La radiació de sincrotró va des de la radiació infraroja (IR), passant per la llum visible (VIS) i la radiació ultraviolada (UV), fins a arribar als raigs X.
En la natura aquesta emissió és causada pels electrons que es mouen a través dels camps magnètics de l'espai a velocitats molt altes, i hom l'observa en les explosions i en els romanents de supernoves, radiogalàxies i púlsars. L'emissió de sincrotró es produeix artificialment als anells d'emmagatzemament d'un sincrotró on electrons, prèviament accelerats en un accelerador lineal o LINAC, descriuen òrbites a velocitat constant degut a la força de Lorentz. La velocitat, malgrat manté el seu mòdul constant, canvia de direcció contínuament, per tant presenta una acceleració centrípeta, causant de l'emissió de radiació electromagnètica. Les aplicacions de la radiació de sincrotró són molt nombroses, com per exemple, radiocristal·lografia, microminiaturització de circuits integrats, o estudi d'àtoms i molècules."Radiació de sincrotró", article a la Gran Enciclopèdia Catalana.
Teoria Clàssicament, qualsevol partícula carregada que es desplaça en una trajectòria corba o que experimenta una acceleració al llarg d'una trajectòria rectilínia emet radiació electromagnètica. Aquesta radiació adopta denominacions diverses segons el context. Per exemple, quan s'origina a conseqüència de l'impacte d'electrons amb un blanc de metall sòlid dins un tub de raigs X, es coneix com a radiació de frenada o bremsstrahlung. miniatura|600x600px|Espectre electromagnètic. La radiació de sincrotró conté radiació des de l'infraroig a la dreta de l'espectre visible a la figura fins als raigs X, a l'esquerra de la mateixa figura. En particular, en l'àmbit dels acceleradors de partícules de geometria circular, com els sincrotrons, on les partícules carregades són accelerades a velocitats relativistes, aquesta radiació rep el nom específic de radiació de sincrotró. L'energia radiada per aquest mecanisme és proporcional a la quarta potència de la velocitat de les partícules i inversament proporcional al quadrat del radi de curvatura de la trajectòria. Aquest fenomen esdevé el factor limitant de l'energia final assolible per les partícules accelerades en sincrotrons d'electrons, com el sincrotró Alba del campus de la Universitat Autònoma de Barcelona, a Cerdanyola del Vallès. Tanmateix, en altres contexts, com en els sistemes de detectors instal·lats en acceleradors, aquesta energia pot ser registrada i aprofitada per facilitar l'anàlisi dels productes derivats dels esdeveniments de dispersió dins l'accelerador.
La fórmula clàssica per a la potència radiada per un electró de càrrega elèctrica accelerat amb una acceleració és:
on:
és la permitivitat del buit i val 8,854 187 8188 × 10–12 F m–1. és la velocitat de la llum.
Per a una òrbita circular no relativista, l'acceleració és deguda a la força de Lorentz i és igual a , on és la velocitat de la partícula, la intensitat del camp magnètic i la massa de l'electró. Per altra banda és una acceleració centrípeta, , on és el radi de curvatura de la trajectòria.
Tanmateix, les òrbites que es consideren en els acceleradors de partícules, com els sincrotrons, són altament relativistes. En aquest règim, l'acceleració ha de ser calculada tenint en compte les correccions relativistes, ja que la velocitat de les partícules s'acosta significativament a la velocitat de la llum. L'acceleració relativista es pot obtenir mitjançant una generalització del concepte clàssic d'acceleració centrípeta, considerant els factors de Lorentz que intervenen a causa del moviment relativista. En aquest context, l'acceleració efectiva per a una partícula carregada en una òrbita circular és determinada per:
on:
és la massa de la partícula. és el mòdul de la quantitat de moviment o moment lineal en relativitat, essent . és el factor de Lorentz, , amb . Aquest factor augmenta de manera exponencial a mesura que la velocitat de la partícula s'aproxima a la velocitat de la llum. és el temps propi, temps que mesura un rellotge ideal entre esdeveniments que tenen lloc al mateix punt on es troba el rellotge.
La potència radiada és, per tant:
miniatura|Imatge del jet relativista de la galàxia M87. Història Aquesta radiació va ser anomenada així després del seu descobriment en un accelerador de sincrotró de l'empresa General Electric, construït el 1946 i anunciat el maig de 1947 per Frank Elder, Anatole Gurewitsch, Robert Langmuir, i Herb Pollock en una carta titulada Radiation from Electrons in a Synchrotron.Elder, F. R.; Gurewitsch, A. M.; Langmuir, R. V.; Pollock, H. C. (1947): "Radiation from Electrons in a Synchrotron", Physical Review, vol. 71, Issue 11, p. 829-830
Es va detectar per primera vegada en la natura en un jet emès per la galàxia el·líptica M87, el 1956, per Geoffrey R. Burbidge,Burbidge, G. R. "On Synchrotron Radiation from Messier 87. Astrophysical Journal, vol. 124, p.416" que la va veure com a confirmació d'una predicció de Iosif S. Shklovskii del 1953, encara que havia estat predita encara uns anys abans per Hannes Alfvén i Nicolai HerlofsonAlfvén, H.; Herlofson, N. "Cosmic Radiation and Radio Stars" Physical Review (1950), vol. 78, Issue 5, p. 616-616 el 1950.
Propietats miniatura|440x440px|Diagrama d'emissió de la radiació de sincrotró. La radiació sorgeix d'un electró que es mou al llarg d'una trajectòria helicoidal al voltant d'un camp magnètic uniforme. La força de Lorentz que causa l'acceleració és perpendicular al vector de camp magnètic , i ambdós vectors també són perpendiculars a la velocitat de l'electró . La radiació es concentra en una amplada de feix de ∼ radians. Aquesta radiació presenta quatre propietats que la fan força útil:
És una emissió molt focalitzada en el pla de la trajectòria dels electrons. La major part de l'energia és emesa dins d'un feix, l'obertura màxima del qual és de l'ordre de . Habitualment el valor és de l'ordre del mil·liradià. El seu espectre d'emissió és continu (radiació blanca) i presenta una freqüència màxima a partir de la qual ja no hi ha emissió. Aquesta freqüència màxima és relacionada amb la velocitat angular que duu l'electró , segons . Així, si augmenta l'energia dels electrons, per l'augment de la velocitat angular, la distribució espectral es desplaça cap a petites longituds d'ona (alta freqüència). És una radiació molt intensa, un electró d'uns 500 MeV en una òrbita d'1 m de radi emet una energia en forma de radiació de sincrotró de 14 keV per volta i un electró d'1,8 GeV en una òrbita de 4 m emet una radiació de 250 keV. És una radiació totalment polaritzada en el pla de l'órbita.
Tècniques Els experiments o mesures que es poden dur a terme utilitzant el conjunt inicial de línies de llum es divideixen en quatre categories principals:
Difracció/dispersió per a cristal·lografia. Espectroscòpia per a l'anàlisi de la composició química i l'especiació en el material a granel i en superfícies, fins a nivell nanomètric. Polarimetria per mesurar la forma de molècules complexes, com les proteïnes, i les propietats dels materials magnètics. Obtenció d'imatges, des d'imatges molt detallades d'animals petits i, en última instància, humans, fins a la subestructura de materials biològics i físics, utilitzant llum des d'infrarojos fins a raigs X durs. miniatura|La difracció de raigs X produeix interferències constructives a l'esquerra i destructives a la dreta que permeten determinar la posició i separació de les espècies químiques en els cristalls. Difracció de raigs X (XRD) La difracció de raigs X inclou una sèrie de diferents tècniques que tenen aplicacions en la ciència dels materials, la medicina forense, la indústria electrònica, els estudis biològics, etc. Totes es basen en el mateix principi bàsic: els raigs X són desviats pels àtoms de la matèria i produeixen un interferències constructives i destructives (patró d'interferència). Quan els àtoms estan perfectament ordenats, el patró produït està ben definit i se'n poden deduir les seves posicions i separacions. miniatura|Difractòmetre de raigs X. La difracció de raigs X de pols (XRD) és una tècnica que s'utilitza habitualment en molts laboratoris d'investigació. Un sincrotró té un flux molt més alt que una font de laboratori, la qual cosa significa que es poden mesurar quantitats més petites de material i en una escala de temps més ràpida. Això permet realitzar tècniques com la difracció superficial i la difracció de pel·lícula fina, que s'estenen fins a una submonocapa d'àtoms. Amb la radiació de sincrotró es pot seleccionar l'energia dels raigs X, la qual cosa permet als investigadors capturar patrons de difracció a diferents energies que poden estar a prop d'una vora d'absorció d'un element d'interès dins del material que s'està estudiant. Això serveix per destacar l'element específic i s'anomena difracció anòmala.
S'empra la difracció de raigs X d'un sol cristall d'una proteïna per tal de determinar la seva estructura. El Premi Nobel de Química l'any 2006 fou per Roger Kornberg pel seu treball en la determinació de les interaccions de l'ARN, que es basava en gran manera en l'ús de la cristal·lografia de proteïnes amb radiació de sincrotró. La cristal·lografia de proteïnes s'utilitza en el disseny de fàrmacs, ja que la comprensió de l'estructura de les proteïnes i altres molècules biològiques grans permet als investigadors adaptar els productes farmacèutics per interactuar amb ells.
Dispersió de raigs X (SAXS, WAXS, XRR) La dispersió de raigs X és el terme general per a la desviació dels raigs X per la matèria, de la qual la difracció de raigs X és només un subconjunt. Els materials sense ordre atòmic dispersen els raigs X. Com més petit sigui l'angle de dispersió, més gran serà l'estructura que està causant la dispersió. Això dona lloc a dues tècniques complementàries, SAXS i WAXS (dispersió de raigs X d'angle petit i de gran angular, respectivament). Com en el cas de la difracció de raigs X, aquestes es poden realitzar a energies seleccionades per destacar un element d'interès.
SAXS s'utilitza àmpliament per estudiar materials amb estructures semiperiòdiques de l'ordre d'1-100 nm, per exemple, conjunts biològics, nanopartícules, punts quàntics, fibres, materials nanoporosos, etc. WAXS es pot utilitzar per estudiar materials amb estructures de la ordre de 0,1-1 nm, per exemple materials amorfs, molècules biològiques, argiles, etc.
La reflectivitat dels raigs X és una altra tècnica de dispersió de raigs X que es basa en la teoria coneguda de com els raigs X penetren a la matèria. És útil per estudiar pel·lícules primes i estructures en capes.
Espectroscòpia d'absorció de raigs X (XAS, XANES, EXAFS) miniatura|Espectre XANES d'una mostra d'alumini. L'espectroscòpia d'absorció de raigs X (XAS) compren vàries tècniques. A diferència de les tècniques de cristal·lografia, és una sonda local ajustada a un element específic escanejant l'energia (o longitud d'ona) a través d'una vora d'absorció de raigs X de l'element a estudiar. Com que es tracta d'una sonda local, la tècnica no depèn del material que tingui ordre de llarg abast, per la qual cosa es pot utilitzar per estudiar sistemes i líquids amorfs (així com sistemes amb ordre cristal·logràfic). Algunes de les principals tècniques d'espectroscòpia d'absorció de raigs X són: miniatura|Esquema del fonament de l'espectroscòpia EXAFS.