Синхротронное излучение возникает, когда заряженная частица, двигаясь с околосветовой скоростью, испытывает центростремительное ускорение в магнитном поле, то есть движется по криволинейной траектории. Такой тип излучения является релятивистским аналогом циклотронного и широко наблюдается как в лабораторных условиях, так и в астрофизике.
Классически, интенсивность излучения возрастает с увеличением энергии частицы и кривизны её траектории. Однако в релятивистском режиме угол излучения резко сужается (до порядка 1/γ, где γ — лоренц-фактор), а спектр становится непрерывным, простираясь от инфракрасной до жёсткой рентгеновской области.
Основными параметрами, определяющими свойства синхротронного излучения, являются:
Полная мощность излучения описывается формулой:
$$ P = \frac{e^2 c}{6\pi \varepsilon_0} \frac{\gamma^4}{\rho^2} $$
что указывает на сильную зависимость мощности от энергии: P ∝ γ4.
Излучение обладает непрерывным спектром, максимум которого находится в области, соответствующей критической энергии фотона:
$$ \hbar \omega_c = \frac{3}{2} \hbar \gamma^3 \frac{c}{\rho} $$
Где ωc — критическая угловая частота, на которой сосредоточена большая часть излучаемой энергии. Излучение распространяется в узком конусе вдоль касательной к траектории частицы. Это делает синхротронное излучение направленным, ярким и с высокой степенью поляризации, что особенно ценно в прикладных исследованиях.
Современные источники синхротронного излучения создаются на базе электронных ускорителей, в частности — синхротронов и накопительных колец. В таких установках электроны разгоняются до энергий порядка 1–10 ГеВ и направляются в магнитные структуры (бендинги, вигглеры, ондуляторы), где и происходит испускание излучения.
В таких установках получаемое излучение характеризуется высокой яркостью, направленностью, контролируемой длиной волны и степенью поляризации. Эти свойства делают синхротронные источники незаменимыми в различных областях науки и техники.
В области физики высоких энергий синхротронное излучение имеет двойственную роль:
Ограничение на энергию ускорителей: при проектировании электронных кольцевых ускорителей мощность синхротронного излучения становится критически важным фактором. Из-за зависимости P ∝ γ4/ρ2, при высоких энергиях излучение становится столь интенсивным, что возникают потери энергии, требующие соответствующей компенсации со стороны радиочастотных ускоряющих систем.
Диагностика пучка: синхротронное излучение, испускаемое пучком, используется для неинвазивного мониторинга параметров пучка — положения, размера, дивергенции и интенсивности. Специальные детекторы (оптические, УФ, рентгеновские) фиксируют это излучение с высокой точностью.
Радиационные потери в коллайдерах: при столкновениях пучков синхротронные потери учитываются в расчетах стабильности траектории, теплоотводов и радиационной защиты компонентов ускорителя.
Наиболее масштабное применение синхротронного излучения нашло в мультидисциплинарных научных исследованиях:
Позволяет исследовать локальную электронную и атомную структуру веществ. Метод особенно полезен для изучения катализаторов, аморфных материалов и биологических образцов.
Синхротронное излучение позволяет определять структуру белков, ДНК, рибосом и других макромолекул с атомной точностью. Благодаря высокой яркости и короткой длине волны становится возможной работа с микро- и нанообразцами, недоступными для классических рентгеновских источников.
Дает трёхмерные изображения внутренних структур образцов без их разрушения. Используется в материаловедении, геологии, палеонтологии, археологии и медицине.
Когерентное синхротронное излучение применяется для создания субмикронных структур в полупроводниковой промышленности. Ондуляторы позволяют генерировать квазимонохроматическое и когерентное излучение, пригодное для фотолитографических процессов в диапазоне EUV (13.5 нм).
Синхротронное излучение играет ключевую роль в объяснении широкого класса астрофизических явлений. Впервые оно было теоретически описано как механизм, объясняющий поляризованное радиоизлучение от остатка сверхновой Кассиопея A.
Пульсары: быстро вращающиеся нейтронные звезды создают мощные магнитные поля, ускоряющие электроны до релятивистских скоростей. Их излучение в радио- и рентгеновском диапазоне объясняется именно синхротронным механизмом.
Релятивистские джеты активных галактик и квазаров: синхротронное излучение — один из доминирующих механизмов в спектрах этих объектов, от радиодиапазона до γ-лучей.
Космические лучи: при взаимодействии высокоэнергичных заряженных частиц с магнитными полями межзвездной среды наблюдается широкополосное синхротронное излучение, служащее источником информации о галактических полях и механизмах ускорения частиц.
Позволяет получать изображения тканей с повышенной контрастностью за счёт фазовых эффектов, недоступных для обычных рентгеновских аппаратов. Особенно эффективна при исследовании мягких тканей, лёгочной структуры, хрящей и сосудов.
Разрабатываются методы лучевой терапии с использованием высокоэнергетического синхротронного излучения для точечного воздействия на опухоли. Благодаря высокой направленности и возможной модуляции энергии, достигается высокая точность облучения с минимальным повреждением здоровых тканей.
Хотя нейтроны не испускаются в процессе синхротронного излучения, совместное использование синхротронных источников и ядерных реакторов позволяет проводить многомодальные исследования структуры и динамики материалов на атомном уровне.
Будущее синхротронных источников связано с внедрением ускорителей четвёртого поколения — компактных, энергоэффективных, с нанометровой стабильностью пучков и ультраяркими источниками когерентного излучения. Особое внимание уделяется следующим направлениям:
Таким образом, синхротронное излучение представляет собой не только фундаментальное физическое явление, но и мощный инструмент в руках исследователей, с влиянием, охватывающим от космологии до молекулярной биологии.