清華新聞網(wǎng)10月18日電 經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中，做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子會(huì)產(chǎn)生輻射，稱(chēng)為同步輻射。如果帶電粒子束團(tuán)的空間尺寸小于輻射波長(zhǎng)，其中不同電荷產(chǎn)生的輻射就會(huì)相干疊加，形成與束團(tuán)電荷量平方成正比的高強(qiáng)度相干同步輻射。利用相干同步輻射效應(yīng)，最先進(jìn)的自由電子激光加速器可以在X射線(xiàn)波段產(chǎn)生比傳統(tǒng)同步輻射光源峰值亮度高十個(gè)數(shù)量級(jí)的X射線(xiàn)激光。另一方面，相干同步輻射效應(yīng)也是環(huán)形和直線(xiàn)加速器中限制束流強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)一步提升的關(guān)鍵效應(yīng)。如何理解并準(zhǔn)確描述相干同步輻射及其影響下的束流動(dòng)力學(xué)，是提升未來(lái)加速器光源輻射亮度的關(guān)鍵。
近日，清華大學(xué)工程物理系博士生劉卓轅在相干同步輻射理論的研究中取得進(jìn)展。他提出了一種新的點(diǎn)電荷電磁場(chǎng)的計(jì)算框架，將點(diǎn)電荷產(chǎn)生的場(chǎng)分解為瞬時(shí)的空間電荷場(chǎng)和“推遲”的輻射反沖場(chǎng)，進(jìn)而從理論上分離了空間電荷效應(yīng)和相干同步輻射效應(yīng)，并展示了瞬時(shí)作用、推遲作用、庫(kù)侖力和輻射這些經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)概念之間的深層次聯(lián)系。
在經(jīng)典相干同步輻射的理論框架中，點(diǎn)電荷的推遲解（Lienerd-Wiechert勢(shì)）被用來(lái)描述點(diǎn)電荷在空間中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。由于空間電荷力的存在，空間電荷力的奇點(diǎn)會(huì)使得相干同步輻射理論不可積或者數(shù)值計(jì)算精度下降。為了描述相干同步輻射效應(yīng)，之前的研究工作采用了各種不同的重整化方法。然而，這些重整化方法給出的結(jié)果并不一致。并且，通過(guò)各種重整化方法給出的結(jié)果的物理含義也不明確。
相干同步輻射效應(yīng)的兩種不同物理圖像。（a）Lienerd-Wiechert勢(shì)對(duì)應(yīng)的推遲解的物理圖像。（b）瞬時(shí)與推遲作用的物理圖像
受經(jīng)典點(diǎn)電荷模型啟發(fā)，劉卓轅在理論上將點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行頻域和角向分解，并進(jìn)一步將觀(guān)察點(diǎn)的場(chǎng)分解為瞬時(shí)場(chǎng)和推遲場(chǎng)（如圖）。其中，瞬時(shí)場(chǎng)貢獻(xiàn)了庫(kù)侖力和相互作用導(dǎo)致的質(zhì)量重整化，而推遲場(chǎng)則是光速有限這一物理限制的直接結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，該理論將電磁場(chǎng)分解成三項(xiàng)，分別為瞬時(shí)空間電荷力場(chǎng)、瞬時(shí)“壓縮”場(chǎng)和輻射反沖場(chǎng)?？梢宰C明分解的輻射反沖場(chǎng)給出了正確的相干輻射反沖，排除了因?yàn)榭臻g電荷效應(yīng)導(dǎo)致的奇點(diǎn)，并且該理論在一維極限下與經(jīng)典相干同步輻射理論的結(jié)果符合。
該研究成果以“相干輻射中的瞬時(shí)和推遲相互作用”（Instantaneous and retarded interactions in coherent radiation）為題，于10月16日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
清華大學(xué)工物系2020級(jí)博士生劉卓轅為論文第一作者，工物系副教授顏立新為論文通訊作者，論文合作者包括高等研究院副研究員鄧秀杰、工物系博士生李彤。研究得到北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)工物系學(xué)科建設(shè)探索項(xiàng)目和清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.165001
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：郭玲
