Синхротронное излучение (СИ) обладает уникальной временной структурой, которая обусловлена кинематикой движения релятивистских электронов в магнитных системах хранения. В отличие от непрерывного излучения обычных источников, СИ формируется сериями коротких импульсов, длительность и интенсивность которых зависят от конфигурации ускорителя, типа магнитного элемента и энергии электронов.
Импульсная структура СИ напрямую связана с циклическим движением электронов в синхротроне или кольце хранения. Электроны движутся по замкнутой орбите с высокими скоростями, близкими к скорости света, и при прохождении через радиационные элементы (например, бенд-магниты или ондуляторы) испускают электромагнитное излучение.
Поскольку электроны образуют пакеты (бэнчи) с определенной продольной протяженностью, излучение формируется в виде серии импульсов, синхронизированных с прохождением бэнчей через магнитный элемент. Длительность одного импульса определяется как:
$$ \tau \sim \frac{\sigma_z}{c} $$
где σz — длина бэнча, c — скорость света. Для современных ускорителей τ может достигать пиком на уровне от нескольких пикосекунд до десятков фемтосекунд, что делает СИ исключительно подходящим для ультракоротких временных экспериментов.
Импульсная структура напрямую влияет на спектральные свойства излучения. Согласно теории Фурье, короткие во времени импульсы соответствуют широкому спектральному диапазону, что позволяет получать широкополосное излучение. В то же время, более длинные импульсы характеризуются узким спектром.
Ключевые моменты:
Δω ⋅ τ ∼ 1
При использовании ондуляторов формируется серия гармоник, каждая из которых может иметь собственную временную структуру.
Для пакетного режима работы кольца хранения импульсы накладываются друг на друга, образуя трейн излучения с периодичностью, равной интервалу между бэнчами.
Внутри одного бэнча электроны могут быть частично когерентны, что приводит к явлению сверхкоэрентного излучения на длинноволновом участке спектра (Терагерц и миллиметровые волны). Это проявляется в том, что интенсивность излучения растет не пропорционально числу электронов N, а как N2.
Микроструктура бэнча, включая микроскопические вариации плотности электронов, влияет на флуктуации интенсивности импульсов и может использоваться для диагностики параметров пучка.
Для анализа импульсной структуры СИ применяются следующие подходы:
Импульсная структура СИ делает его крайне ценным для временноразрешающих экспериментов, таких как:
Особенно важна возможность синхронизации импульсов СИ с лазерными системами, что позволяет проводить pump-probe эксперименты с экстремальной временной разрешающей способностью.
Различные режимы работы кольца хранения влияют на импульсную структуру:
Эти режимы позволяют оптимизировать СИ под конкретные задачи экспериментатора, обеспечивая баланс между временной разрешающей способностью и потоковой интенсивностью.