Синхротронная радиация, возникающая при движении релятивистских электронов в магнитном поле, обладает сложной временной организацией. Временные характеристики излучения напрямую определяются динамикой движения электронов в накопительном кольце, а также параметрами магнитных элементов, управляющих их орбитой. Поскольку электроны движутся со скоростью, близкой к скорости света, время пролёта по орбите составляет наносекундные величины. Таким образом, формируется характерный импульсный режим излучения.
Импульсы синхротронного излучения возникают вследствие того, что электрон, проходя изгибающий магнит, испускает фотонный пакет в узкой конусной области. Эти импульсы следуют с периодичностью, равной времени оборота электрона по кольцу, и обладают длительностью, определяемой радиационным конусом и величиной лоренц-фактора. Для современных источников радиации длительность одиночного импульса обычно находится в диапазоне десятков или сотен пикосекунд.
Форма и ширина импульса связаны с угловым распределением излучения и с длиной магнитного элемента. В приближении «короткого магнита» временной профиль импульса близок к гауссову, с характерной длительностью
$$ \tau \sim \frac{\rho}{\gamma^3 c}, $$
где ρ — радиус кривизны траектории электрона, γ — лоренц-фактор, c — скорость света. Таким образом, чем выше энергия электронов (и, соответственно, больше γ), тем короче импульсы. Этот эффект делает синхротронные источники особенно ценными для исследования быстрых динамических процессов в физике, химии и биологии.
В накопительном кольце циркулирует не один электрон, а целые сгустки (пакеты) электронов. Каждый сгусток даёт собственный импульс излучения при прохождении через изгибающий или вставной магнитный элемент. Последовательность таких импульсов образует «поезд импульсов». Временной интервал между ними определяется расстоянием между сгустками в кольце. Для типичных установок этот интервал лежит в пределах от нескольких до сотен наносекунд.
Схема распределения сгустков может быть различной:
Каждый режим имеет свои преимущества и применяется для различных задач: от высокочастотной спектроскопии до экспериментов по временному разрешению на субнаносекундных шкалах.
Периодичность импульсов и их длительность определяют важный параметр — коэффициент заполнения. Он характеризует отношение длительности импульса к интервалу между ними. Для накопительных колец с множеством сгустков коэффициент заполнения может быть достаточно высоким, что делает излучение близким к квазинепрерывному. В режиме одиночного сгустка коэффициент заполнения мал, и излучение представляет собой отдельные хорошо разделённые всплески.
Эта особенность используется в экспериментах, где необходимо согласование времени прихода фотонного импульса с внешними синхронизирующими сигналами, например при исследовании ультрабыстрой динамики в твёрдом теле или молекулярных системах.
Современные синхротронные источники и особенно рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL) позволяют получать импульсы ещё более короткие, чем традиционные пикосекундные. С помощью специальных методов сжатия сгустков, модуляции энергии или использования лазерных систем синхронизации удаётся достигать фемтосекундных временных разрешений.
Фемтосекундные импульсы открывают возможность прямого наблюдения элементарных процессов: движения атомов в кристаллах, колебаний химических связей, динамики спиновых и зарядовых состояний в конденсированных средах. Здесь временная структура излучения выходит на уровень фундаментального инструмента исследования.
Точная характеристика временного профиля импульсов является ключевой для интерпретации экспериментальных данных. Для этого используются методы:
Важной задачей остаётся достижение стабильности временной структуры. Малейшие колебания в положении или форме сгустка приводят к джиттеру импульсов, что ограничивает точность временно-разрешённых измерений.
Помимо длительности импульса и его периодичности, важным свойством является временная когерентность. Она определяется корреляцией фазы излучения на различных временных интервалах. В обычных условиях синхротронное излучение имеет низкую временную когерентность, однако благодаря техникам усиления, модификации и применению лазерного затравочного излучения возможно получать квазикогерентные импульсы с узкой спектральной шириной и устойчивой фазой.
Это особенно важно для интерферометрических методов и для исследований, требующих высокой стабильности фазы, например в когерентной рентгеновской дифракции.