Синхротронное излучение возникает при движении заряженной частицы со скоростями, близкими к скорости света, по криволинейной траектории в магнитном поле. Источником излучения является ускорение частицы, направленное к центру кривизны её траектории. Согласно классической электродинамике, любое ускоренное заряженное тело испускает электромагнитные волны, а в случае релятивистских частиц процесс приобретает специфические черты, которые делают синхротронное излучение важнейшим объектом исследования и практического применения.
Основная особенность состоит в том, что при релятивистских скоростях излучение сильно анизотропно: подавляющая часть энергии излучается в узком конусе вдоль направления скорости частицы, угол которого порядка 1/γ, где γ — фактор Лоренца. Это свойство приводит к чрезвычайно высокой яркости и направленности синхротронного излучения.
Спектр синхротронного излучения является непрерывным и простирается от радиоволн до рентгеновской области. Характерная частота, называемая критической частотой, определяется выражением
$$ \omega_c = \frac{3}{2} \gamma^3 \frac{c}{\rho}, $$
где ρ — радиус кривизны траектории частицы, c — скорость света.
Таким образом, излучение имеет широкий диапазон частот, что делает его уникальным источником электромагнитных волн для исследований в различных областях физики и смежных наук.
Синхротронное излучение характеризуется высоким уровнем поляризации. В плоскости орбиты частицы излучение вблизи критической частоты линейно поляризовано. Вне плоскости орбиты наблюдается сложное распределение, включающее эллиптическую и круговую поляризацию. Это свойство используется в спектроскопии и магнитных исследованиях, так как поляризация позволяет получать дополнительную информацию о структуре вещества.
Излучение сосредоточено в узком телесном угле порядка ∼ 1/γ. При больших энергиях частиц (γ ≫ 1) угол излучения становится настолько малым, что синхротронные источники обеспечивают интенсивные квазипараллельные пучки излучения. Это позволяет фокусировать и направлять световые потоки с исключительной точностью.
В угловом распределении также присутствует зависимость от частоты: низкочастотное излучение шире распределено по углу, а высокочастотное — сконцентрировано ближе к направлению движения частицы.
Полная мощность, излучаемая заряженной частицей при движении по окружности, определяется формулой Лиенарда:
$$ P = \frac{2e^2 c}{3 \rho^2} \gamma^4 \beta^2, $$
где e — заряд частицы, β = v/c.
Для электронов, обладающих малой массой, эти потери оказываются значительными даже при умеренных энергиях. Именно поэтому в электронных ускорителях приходится учитывать эффект радиационных потерь: он ограничивает достижимые энергии и влияет на проектирование коллайдеров и синхротронных источников. Для протонов и тяжелых ионов потери значительно меньше из-за их большой массы.
Поскольку излучение испускается частицей в виде коротких импульсов при прохождении каждой точки траектории, временная структура синхротронного излучения определяется параметрами ускорителя. Для одиночной частицы импульсы чрезвычайно узки (порядка пикосекунд), что связано с релятивистским сокращением времени. В кольцевых ускорителях с большим числом электронов импульсы накладываются, формируя квазинепрерывный поток.
Эта особенность используется для генерации сверхкоротких импульсов излучения в специальных режимах работы синхротронов и накопительных колец, что открывает возможность исследования быстропротекающих процессов в физике и химии.
Синхротронное излучение по своей природе близко к тормозному излучению, возникающему при замедлении частиц в кулоновском поле атомных ядер. Однако в отличие от тормозного излучения:
Эти различия делают синхротронное излучение гораздо более контролируемым и предсказуемым инструментом.
Синхротронное излучение используется не только как неизбежный побочный эффект в ускорителях заряженных частиц, но и как мощный исследовательский инструмент. Современные синхротронные центры предоставляют пучки рентгеновского и ультрафиолетового излучения с регулируемыми параметрами. Они применяются в кристаллографии белков, материаловедении, нанофизике, исследованиях магнитных свойств вещества и в ряде других направлений.
Классическая электродинамика даёт строгое описание этого явления, однако для более глубокого понимания процессов взаимодействия синхротронного излучения с веществом часто необходимо привлекать квантовые эффекты, особенно при высоких энергиях и в рентгеновском диапазоне.