Магнитотормозное излучение – излучение, возникающее при движении заряженных частиц в магнитном поле. В однородном магнитном поле заряженные частицы движутся по окружности или спирали с частотой обращения Ω=ecH/ε (H – напряженность магнитного поля, ε – энергия заряженной частицы). Периодичность движения заряда приводит к тому, что излучаемые частоты – целые кратные частоты Ω (ω=nΩ); в этом случае при движении частиц с релятивистскими скоростями и ε >> mc² возникает синхротронное излучение, при нерелятивистских скоростях – циклотронное излучение. Синхротронное излучение обладает широким спектром частот с максимумом в области частот ~Ω(ε/mc2)3, в т. ч. основная доля энергии приходится на область частот ω>>Ω. В этой области интервалы между соседними частотами малы по сравнению с частотой ω и распределение частот в спектре синхротронного излучения можно считать непрерывным. В области частот ω<<Ω(ε/mc²)³ излучаемая энергия растет с частотой как ω^2/3, в области ω>>Ω(ε/mc²)³ – экспоненциально убывает с ростом частоты. Синхротронное излучение обладает также малой угловой расходимостью (~mc²/ε) и высокой степенью поляризации в плоскости орбиты. Эти свойства синхротронного излучения, а также возможность точного вычисления его свойств привели к широкому использованию синхротронного излучения для спектроскопии в области от рентгеновского до видимого диапазона длин волн. Магнитотормозное излучение при нерелятивистских скоростях заряда получило название циклотронного излучения. Оно обладает общими свойствами излучения нерелятивистских частиц – дипольного излучения. Его частота совпадает с частотой обращения заряда по окружности Ω. 

Аналогичное излучение нерелятивистских частиц, движущихся по круговым или спиральным траекториям в магнитном поле, происходящее на гиромагнитной частоте νс=qH/(2πmc), (где q − заряд, m − масса покоя частицы) и её первых гармониках называют циклотронным излучением. С увеличением скорости частицы интенсивность высоких гармоник возрастает − это явление может быть интерпретировано как сокращение длины волны излучения вдоль направления движения частицы вследствие эффекта Доплера.

Для релятивистских частиц с энергией E<<mc² излучение в области высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора ψ~mc²/E.
Максимум излучения частицы с энергией E, движущейся в магнитном поле с составляющей, перпендикулярной вектору скорости частицы H приходится на частоту:

при этом мощность излучения релятивистской частицы с энергией Е пропорциональна квадрату энергии при постоянном магнитном поле:

Поскольку мощность синхротронного излучения частицы сильно зависит от массы, то наибольшее значение такое излучение имеет для лёгких частиц - электронов и позитронов.
В плоскости орбиты электрона излучение поляризовано линейно с вектором Е, лежащим в плоскости орбиты. На некотором угловом расстоянии от этой плоскости наблюдается эллиптическая поляризация, знаки по обе стороны от плоскости орбиты противоположны.

Если частицы движутся в неоднородном магнитном поле, может возбуждаться ондуляторное излучение (периодическое поле), изгибное излучение и т. д. Наблюдается также магнитотормозное излучение из торцевых областей поворотных магнитов синхротронов.

Источники синхротронного излучения (искусственные и природные) (рис.1). Одним из наиболее мощных искусственных источников синхротронного излучения является синхротроны и накопители электронов и позитронов. Также используется близкое по сути к синхротронному излучению ондуляторное излучение. Ондуляторное излучение − спонтанное излучение электронов в периодическом (циклическая смена полярности) внешнем поле, вызывающем отклонение частиц на малые углы. Ондуляторы и виглеры устанавливаются в прямолинейные участки накопителя. Лазеры на свободных электронах. Наиболее мощный синхротрон в России (2, 5 GeV) запущен в 1999 году в Курчатовском институте. Природными источниками являются радиогаллактики (к примеру, крабовидная туманность), пульсары, квазары, взрывы сверхновых.
Эффект реализуется в мощных ускорителях заряженных частиц — синхротронах и циклотронах.
Применения синхротронного излучения.

Основными областями спектра, в которых наиболее эффективно применяется синхротронное излучение, являются вакуумная ультрафиолетовая, мягкая рентгеновская и рентгеновская области. Именно в этих областях синхротронное излучение имеет наибольшее преимущество перед другими источниками. Исследование в области ВУФ и мягкого рентгена дают очень важную информацию для понимания электронной структуры твердого тела. Существенный прогресс в этой области стал возможен благодаря, с одной стороны, применению синхротронного излучения, с другой теоретическим расчетам зонной структуры. Теоретический расчет дает дисперсию энергии от волнового вектора и приведенную плотность состояний в зависимости от энергии.

Синхротронное излучение - один из видов магнитотормозного излучения: излучение эл.-магн. волн заряженными частицами (в космосе преимущественно электронами), движущимися с релятивистскими скоростями в магн. поле H. Впервые наблюдалось в ускорителях электронов - синхротронах. Магнитное поле искривляет траекторию движения электронов, и возникающее при этом ускорение является причиной эл.-магн. излучения. Этот механизм часто использкется для объяснения радио-, оптич. и рентг. излучений самых различных космических источников.

Излучение заряженных релятивистских частиц, т.е. частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, обладает рядом существенных отличий от излучения медленных частиц. Из-за эффекта Доплера частота света, излучаемого быстродвижущейся частицей в направлении своего движения, сильно повышается, интенсивность излучения на высоких гармониках возрастает. У релятивистских частиц с энергией  излучение в области высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора:

.

Релятивистский электрон, движущийся в магнитном поле, описывает либо окружность (если у него нет компонента скорости вдоль поля), либо спираль. Частота вращения его в магнитном поле H есть

. (1)

Здесь и далее под H будет подразумеваться компонент поля, перпендикулярный вектору скорости частицы.

Узкий конус, в пределах которого заключено излучение электрона, поворачивается вместе с поворотом вектора мгновеной скорости электрона (рис.1).

Это означает, что наблюдатель, находящийся в плоскости орбиты электрона, видит вспышки излучения в те моменты времени, когда скорость электрона направлена на него. Вспышки следуют через промежутки времени 2πE/ecH, длительность каждой вспышки ~(2mc/eH)^.(mc²/E)².

Поскольку частота повторения вспышек достаточно велика, наблюдатель практически видит непрерывное излучение. Максимальная мощность синхротронного излучения одного электрона в единичном интервале частот и в единичном телесном угле равна:

, (2)

где H выражено в Э.

Важными особенностями обладает поляризация синхротронного излучения. Для наблюдателя, находящегося точно в плоскости орбиты электрона, излучение поляризовано линейно с электрич. вектором, лежащим в плоскости орбиты. На некотором угловом расстоянии от этой плоскости поляризация эллиптическая, причем разных знаков по обе стороны от плоскостию Кроме того, интенсивность эллиптически поляризованного излучения незначительна. При усреднении излучения системы электронов остается лишь линейная поляризация. Иными словами, система релятивистских электронов, находящаяся в однородном магн. поле, дает линейно поляризованное С.и. с электрич. вектором, перпендкулярным магнитному полю.

Если бы у всех электронов была примерно одинаковая энергия, то спектр излучения этой системы имел бы максимум на частоте

(Гц) . (3)

В космических условиях релятивистские электроны имеют различную энергию. Чаще всего распределение электронов по энергиям аппроксимируют степенной функцией, т.е. число электронов N в ед. объма с энергией от E до E+ΔE:

, (4)

где K и γ - постоянные.

Синхротронное излучение ед. объма в единичном телесном угле и в единичном интервале частот (т.н. коэфф. излучения) определяется соотношением:

, (5)

где a(γ)  - зависящий от  численный коэффициент, близкий к 0,1-0,2 при 0.5<γ<5. Степень линейной поляризации этого излучения равна (γ+1)(γ+7/3).

Если концентрация релятивистских электронов не слишком велика, то интенсивность излучения определяется по формуле I_ν=j_νl, где l - размер области излучения. При большой концентрации электронов необходимо учитывать и самопоглощение ими cинхротронного излучения.

Приведенные выше соотношения справедливы, если излучающие электроны находятся в вакууме. В достаточно плотной плазме характер излучения меняется: уменьшается направленность излучения и резко падает его интенсивность. Это приводит к "завалу" спектра излучения на частотах, меньших , где ne - концентрация электронов плазмы. Зато здесь появляется возможность синхротронного мазерного излучения. С.и. в радиодиапазоне часто наз. нтепловым, поскольку его спектр сильно отличается от спектра теплового излучения. Спектр С.и. нельзя характеризовать одним значением темп-ры, как в случае теплового излучения. Если концентрация релятивистских электронов настолько велика, что самопоглощение ими С.и. становится существенным, спектр С.и. можно охарактеризовать с помощью зависящей от частоты эффективной температуры T_э, которая в энергетич. единицах равна:

.

Синхротронный механизм используется для интерпретации излучения объектов как нашей Галактики, так и др. галактик; радио-, оптич. и рентг. излучения Крабовидной туманности и др. туманностей - остатков вспышек сверхновых звезд; нек-рых видов излучения Солнца, пульсаров, квазаров.

Заряды, движущиеся во внешнем магнитном поле B, описывают спиральные траектории, как бы навиваясь на магнитные силовые линии. Угловая скорость их вращения вокруг этих линий, называемая циклотронной частотой, равна

, (1)

где q - заряд частицы и m - ее масса. Благодаря появляющемуся при этом ускорению, заряды излучают электромагнитные волны как на частоте ω_B, так и на более высоких гармониках, т.е. на частотах sω_B, где s=2, 3, 4... Подобное излучение называется циклотронным, если скорость зарядов много меньше скорости света. Полная мощность излучения на осн. частоте ω_B

, (2)

где v_┴ - компонент скорости частицы, перпендикулярный магному полю. Мощность излучения на гармонике, имеющей номер s, меньше на множитель (v_┴/c)^2(s-1), т.е. с увеличением номера гармоники интенсивность излучения очень быстро падает. В то же время растет его направленность, излучение сосредоточено в плоскости орбиты частицы.

В космических условиях магнитные поля обычно не настолько сильны, чтобы частота ω_B была бы велика. Например, для электронов ω_B= 1.76^.10^7.B Гц (где B в Гс). Чаще всего частота  ω_B и ее первые гармоники оказываются меньше плазменной частоты и циклотронное излучение не может распространяться в плазме.

В некоторых случаях, например, в корональной плазме над солнечными пятнами, циклотронное излучение может быть существенным. В частности, этим механизмом объясняют особенности медленно меняющегося компонента радиоизлучения Солнца. Возможно, что в радиоизлучении магнитосфер планет циклотронное излучение также играет заметную роль.