利用虚光子和康普顿散射对同步辐射的分析new

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1、!第!"卷!第#期强激光与粒子束$%&’!"!(%’#!!)**+年#月,-.,/0123456235(7/538-942:25;6;<=’!)**+!文章编号!!!**!>?#))")**+#*#>*?"">*?利用虚光子和康普顿散射对同步辐射的分析"孟现柱"聊城大学物理科学与信息工程学院!山东聊城)+)*+@#!!摘!要!!从虚光子的康普顿散射出发!给出了一种对同步辐射进行解释的新理论$当带电粒子在加速器中做圆周运动时!加速器的磁场可以看作周期静磁场!可以等效为虚光子$当该虚光子与加速器中运动的带电粒子发生康普顿散

2、射时!就会转换为实光子辐射出去$给出了同步辐射实光子的波长的计算公式!并从合肥国家同步实验室和北京同步辐射装置的峰值特征波长以及斯坦福直线加速器中心的!%!#值&强磁场中子星极AB区的同步辐射等方面验证了该公式的正确性$!!关键词!!高能物理’!虚光子’!实光子’!康普顿散射’!同步辐射!!中图分类号!!0+")’)’!84+*!!!!!文献标识码!!5!!在磁场中做圆周运动的带电粒子!由于具有向心加速度!会不断地辐射电磁波$当电子的能量不大时!这种电磁辐射称为回旋辐射’当电子的能量很大!以至回旋速度接近光速时!这种电

3、磁辐射称为同步辐射$同步辐射是天体物理学中一种重要的辐射机制$早在!@?C年!为解决高能电子在地球磁场中运动时发出的辐射问题!朱洪元就研究了高速荷电粒子在磁场中的辐射问题!为同步辐射的初期发展做出了重要贡献’到!@?"年!弗劳德(哈贝尔在美国纽约通用电气公司的一台"*;B$的同步加速器上首次观察到了同步辐射!开辟了同步辐射研究的新纪元$两种辐射的频谱和角分布的特点有很大不同!回旋辐射近似为单一的频率!辐射的方向性不强’而同步辐射却有一个宽广平滑的连续谱!包含从红外到D射线的各种波长!而且辐射的方向性极)!*强$本文从虚

4、光子的康普顿散射出发!介绍了一种对同步辐射进行解释的新理论!给出了同步辐射的波长公式!并从合肥国家同步实验室"(634#和北京同步辐射装置":63E#的最大特征波长!以及斯坦福直线加速器A中心"6/253#装置的!%!#值&强磁场中子星极区的同步辐射等方面验证了波长公式的正确性$AB!!理论简介))*!!虚光子的康普顿散射最早出现在自由电子激光"E24#的自发辐射理论中!该理论认为+摇摆器中的周期静磁场"F;#可以等效为虚光子!当该虚光子与在F;中运动的高能粒子发生康普顿散射时!虚光子就会转换为实光子辐射出去$这就是E

5、24的自发辐射过程$!!虚光子的康普顿散射也存在于同步辐射中$当带电粒子在加速器磁场!#中以速度"做圆周运动时!磁场也相对电子做圆周运动!利用电磁场的变换关系式可得+粒子静止坐标系中既存在磁场!G!同时又存在#H"!#电场"G"#I!#!其中"是相对论因子$由于磁场绕带电粒子做圆周运动的速度方向周期性变化!因此电#H"#场的方向周期性变化!电场可以等效为虚光子!当该虚光子与带电粒子发生康普顿散射时!会转换为实光子辐射出去$!!图!为磁场和带电粒子的相对运动示意图!其中!表示带电粒子$图!"<#是从实验室坐标系中看到的磁

6、场和带电粒子的相对运动+磁场静止!带电粒子做圆周运动$图!"J#是从粒子静止坐标系中到的磁场和带电粒子的相对运动+粒子静止!磁场反向平动"不是转动#!由于相对论效应!这时在运动方向上的磁场尺度已经收缩为原来的!%"$图!"A#描述了从粒子静止坐标系中看到的一个周期内不同时刻磁场的位置和电场"G&磁场!G的方向!#GH*时!粒子和磁场中的位置-重合!电场"G的方向向下’#GH$G%?时!粒子和磁场中的位置--重合!电场"G的方向向右’#GH$G%)时!粒子和磁场中的位置---重合!电场"G的方向向上’#GH#$G%?时!

7、粒子和磁场中的位置-$重合!电场"G的方向向左’#GH$G时!粒子又和磁场中的位置-重合,,即在粒子静止坐标系"收稿日期!)**?>!!>!K’!!修订日期!)**?>!)>)"基金项目!聊城大学科研基金资助课题"L0*)*!*)*#’聊城大学光学与材料物理研究所专项发展基金资助课题作者简介!孟现柱"!@CK-#!男!山东平邑人!硕士!副教授!从事原子物理方面的研究’2>M@?强激光与粒子束第%@卷!"#$%!&’()*"+’,-*"-.-/,)#.’*"0/"’(

8、1).102)3#’14)3*"0(’图%!磁场和带电粒子的相对运动中电场的方向是周期性变化的!而且不同时刻!5!磁场和电场的位置不同!即从粒子静止坐标系看虚光子的光源是运动的"!!粒子静止坐标系中!由于相对论效应!磁场做圆周平动的周长为6!"#!!根据相对论速度变换式!磁场相对带电粒子的速度为7#$因此磁场做圆周平动的回旋周期为