关于回旋加速辐射和同步加速辐射介绍

[拼音]：huixuan jiasuqi fushe he tongbu jiasuqi fushe

[外文]：cyclotron radiation and synchrotron radiation

当带电粒子（通常是电子）垂直注入均匀的恒磁场绕磁力线作圆周运动时，即使粒子的速率恒定，它也具有向心加速度，从而产生电磁辐射。由非相对论性(vc)低能电子发射的，叫回旋加速辐射，由相对论性(v≈c)高能电子发射的，叫同步加速辐射。它们首先是在回旋加速和同步加速中被观察到的，因而得名。有的文献中将两者统称回旋加速辐射，苏联文献中常称为磁轫致辐射。

此两种辐射的偏振状态相似，都在垂直于磁场的方向上线偏振，在沿磁场的方向上圆偏振，在斜方向上一般是椭圆偏振（见光的偏振）。

两种辐射的频谱和角分布的特点有很大不同。回旋加速辐射的谱是由拉莫尔角频率Ω0，及其谐频组成的分立谱(e和m0分别是电子的电荷和静止质量，B为磁感应强度，с为光速)。能量主要集中在基频，谐频成分极弱；辐射的方向性不强。相对论性电子的能量为γm0с2， 其中 v 是电子速度。 由于相对论效应，随着电子能量的增大，电子的质量m＝m0γ增大，拉莫尔角频率 的数值减小，并因电子速度上的差异而有所分散，从而使回旋加速辐射的谱线间隔减小，线宽加大。在极端相对论性条件下，辐射谱变为连续的，这便是同步加速辐射。与回旋加速辐射相比，同步加速辐射具有以下一些不同的特征：

（1）存在一个临界角频率(R为粒子轨道半径)，在其附近能谱有极大值。ωωc时，辐射功率谱正比于ω时；ωωc时，正比于

(ω/ωc)┩exp(-ω/ωc)。

随着γ 的增大，能谱的极大值向更高级的谐频转移。

（2）对于给定的磁场，总辐射功率正比于γ2；对于给定轨道半径，它正比于γ4，即总辐射功率随粒子能量的增大而急剧增强。

（3）辐射的方向性极强，它像探照灯似地分布在以粒子运动方向为轴的极窄角锥内，锥的半角宽度θ～1/γ（见图）。

电子回旋运动产生电磁辐射的最早理论研究要追溯到20世纪初，G.A.肖脱于1912年计算了经典原子模型的辐射。40年代，Д.Д.伊万年科和И.Я.坡密朗丘克以及J.S.施温格曾考虑了这类辐射对设计圆形粒子加速的重要性。尔后朱洪元(1948)和施温格(1949)发展了有关回旋加速辐射的理论，这些理论公式已列入标准的教科书。理论计算表明，同步加速中带电粒子能量U 因辐射而产生的损耗率为

q为电荷。此式表明，随U 的增加极快。此外，对于质量小的电子，这种辐射消耗特别严重(∞m0-4)。这种辐射是高能圆形轨道加速中最主要的能量损失机制。为了减少它，通常要采用很大的半径R。

同步加速辐射为人们提供了一种高度准直并可连续调谐的强光光源。特别是在真空紫外和X射线波段，尚无可用的激光器与之匹敌。50年代同步加速辐射已被广泛研究，60年代前期，美国国家标准局(NBS)的K.科德林、R.P.马登和他们的合作者开始把180MeV的同步加速当作辐射源用于原子光谱的研究。近年来美国、苏联、日本和西欧许多国家都开展了这方面的工作，用同步加速或储存环发出的同步加速辐射来进行光化学、生物学、固体及其表面、材料学、光子散射、非线性光学、X射线全息、X射线显微学、X 射线光刻等多方面的探索和研究。这方面的研究以前多借助于粒子物理学的装置，近年来一批专用的设备正在设计或制造中。

同步加速辐射是天体物理学中一种重要辐射机制。目前普遍认为，很多具有幂律谱和偏振的非热宇宙射电辐射来源于高能粒子的同步加速辐射。这类射电源中最著名的例子是为中国《宋史》记载的蟹状星云中心1054年爆发的超新星遗迹。

参考书目

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