Заряженные частицы, движущиеся с ускорением, неизбежно излучают электромагнитные волны. Это фундаментальный результат классической электродинамики, вытекающий из уравнений Максвелла и формул Лиенара–Вихерта. При нерелятивистских скоростях излучение носит дипольный характер и распределяется относительно изотропно, но в релятивистском режиме наблюдается качественно иная картина: излучение становится сильно анизотропным и концентрируется в узком конусе в направлении движения частицы.
Если частица движется с фактором Лоренца γ ≫ 1, то угловая ширина конуса излучения оценивается как
$$ \Delta \theta \sim \frac{1}{\gamma}. $$
Таким образом, чем выше энергия частицы, тем более направленным становится излучение. Этот эффект лежит в основе синхротронной радиации, наблюдаемой при движении электронов в магнитных полях ускорителей.
Когда электрон или другая заряженная частица движется в однородном магнитном поле, на него действует сила Лоренца, вызывающая движение по спирали вокруг силовых линий. При этом частица испытывает центростремительное ускорение, и, следовательно, излучает электромагнитные волны.
Энергия излучения определяется не только величиной ускорения, но и скоростью частицы. Для релятивистских электронов наблюдается интенсивное излучение, сопровождающееся потерями энергии, которые необходимо компенсировать подводом энергии извне (например, радиочастотными полями в ускорителях).
Излучение релятивистской частицы в магнитном поле не является монохроматическим. Оно представляет собой широкий спектр, интенсивность которого возрастает до некоторой критической частоты, после чего быстро убывает.
Критическая частота ωc задаётся выражением:
$$ \omega_c = \frac{3}{2}\gamma^3 \frac{c}{\rho}, $$
где ρ — радиус кривизны траектории частицы в магнитном поле.
Именно эта величина определяет верхнюю границу спектра. При больших γ критическая частота возрастает кубически, что приводит к расширению спектра вплоть до рентгеновского и гамма-диапазона.
Излучение релятивистской частицы обладает высокой степенью поляризации. В плоскости орбиты преобладает линейная поляризация, а вне её — наблюдается смесь линейной и циркулярной поляризации. Этот факт играет важную роль в прикладных исследованиях, где требуется контролируемый источник поляризованного излучения.
Излучение релятивистской частицы формируется в коротких импульсах, обусловленных тем, что наблюдатель видит излучение только тогда, когда конус направлен на него. Продолжительность импульса порядка:
$$ \Delta t \sim \frac{1}{\gamma^3 \omega_0}, $$
где ω0 — циклическая частота обращения частицы.
Таким образом, релятивистское излучение носит квазимгновенный характер, что приводит к его богатому спектральному составу.
Потери энергии на синхротронное излучение становятся особенно значимыми для электронов из-за их малой массы. Энергия, теряемая за оборот в ускорителе, пропорциональна γ4. Это накладывает фундаментальные ограничения на проектирование ускорителей электронов: при слишком высоких энергиях излучательные потери становятся критическими.
Для протонов и тяжелых ионов эти эффекты гораздо слабее из-за большой массы, поэтому синхротронное излучение в протонных ускорителях практически не играет роли.
В условиях очень высоких энергий и сильных магнитных полей необходимо учитывать квантовые эффекты. Излучение перестаёт быть непрерывным и проявляется в виде дискретных фотонов. При этом возможны квантовые флуктуации радиационных потерь, что особенно важно при анализе стабильности пучков в кольцевых ускорителях.
Существенным является и тот факт, что критическая энергия фотона может достигать значений, сравнимых с энергией частицы. В таких случаях квантовые поправки становятся определяющими, и классическая теория оказывается недостаточной.
Синхротронное излучение является уникальным инструментом современной науки. Благодаря своей высокой интенсивности, широкому спектральному диапазону и высокой степени поляризации оно применяется в следующих областях:
Синхротронная радиация наблюдается не только в лабораториях, но и в природе. В частности, она играет ключевую роль в излучении пульсаров, радиогалактик, квазаров и остатков сверхновых. Спектры многих космических объектов несут характерные признаки синхротронного механизма — широкий диапазон частот, высокая поляризация и степенной закон распределения интенсивности.