Синхротронное излучение характеризуется не только спектральными и пространственными свойствами, но и выраженной импульсной структурой, напрямую связанной с динамикой движения частиц в накопителе. Одним из ключевых параметров, определяющих временную структуру излучения, является частота повторения импульсов, которая играет критическую роль для временной разрешающей способности экспериментов с использованием синхротронного излучения.
Частота повторения импульсов (f_rep) — это число импульсов излучения, возникающих в единицу времени, обычно выражаемое в герцах (Гц). В синхротроне эта частота определяется периодом обращения заряженных частиц по орбите и структурой пучка.
Если обозначить полный период обращения частицы по замкнутой орбите через T0, то фундаментальная частота вращения равна:
$$ f_0 = \frac{1}{T_0}. $$
Для пучков, состоящих из нескольких пакетиков (bunches) частиц, повторение импульсов связано с количеством пакетов Nb и расстоянием между ними. Тогда частота повторения импульсов определяется как:
frep = Nb ⋅ f0.
Энергия и скорость частиц. Чем выше энергия электронов, тем выше их скорость и меньше период обращения T0. Для ультрарелятивистских частиц v ≈ c, и время обхода практически определяется геометрией синхротрона.
Конфигурация пучка.
Длина орбиты и магнитная структура. Большая длина орбиты увеличивает период обращения, что снижает фундаментальную частоту и, следовательно, частоту повторения импульсов. Использование складок магнитов и оптимизация структуры позволяет изменять временные параметры пучка.
Импульсы синхротронного излучения имеют ультракороткую длительность, что делает их подходящими для изучения процессов с характерными временами от пикосекунд до фемтосекунд. Длительность импульса τ определяется:
$$ \tau \sim \frac{\sigma_z}{c} $$
где σz — продольный размер пучка, а c — скорость света.
Для многопакетного режима интервал между импульсами Δt определяется:
$$ \Delta t = \frac{T_0}{N_b}. $$
Это позволяет экспериментатору точно планировать синхронизацию измерительных систем и лазеров для изучения быстрых процессов.
Высокая частота повторения импульсов приводит к формированию частотных гребенок в спектре излучения. Эти гребенки возникают из-за регулярного чередования импульсов, аналогично эффекту интерференции во временной области.
Положение гребенок определяется частотой повторения:
fn = n ⋅ frep, n = 0, 1, 2, ...
Такая структура используется в экспериментах с синхронизацией лазеров и при изучении когерентных явлений, позволяя выделять отдельные гармоники и повышать энергетическую разрешающую способность.
Современные синхротроны и источники синхротронного излучения обеспечивают гибкую настройку частоты повторения импульсов:
Эти методы обеспечивают высокую стабильность и точность временной структуры излучения, что критично для экспериментов с высоким временным разрешением, включая исследования динамики атомов, молекул и конденсированных сред.