合肥800MeV同步辐射源光谱功率分布的计算

　　0　前言

　　同步辐射是近年来发展起来的一种新型光源,被认为是现代光源的一项重大进展。同步辐射源的光谱范围连续宽广,覆盖了从红外、可见、近紫外、真空紫外到软X射线的范围,此外,它还具有辐射强度高、方向性好及高度偏振的特点,是其他光源所无法比拟的。它的应用不仅遍及物理、化学、生物等基础领域,而且活跃在材料科学、地质学、医学、药物学、电子工业、微加工技术等科学技术领域。

　　在计量科学领域,利用同步辐射源建立真空紫外和软X射线光谱范围的光谱辐射基准,可以为上述应用和研究提供量化数据,促进它们的发展。

　　世界上一些发达国家的计量部门,如美国国家标准技术研究院(NIST)、英国国家物理研究所(NPL)、德国物理技术研究院(PTB)和日本电子技术综合研究所(ETL)均相继对本国的同步辐射光源进行了精确的测量和研究,并利用同步辐射建立了红外、可见、紫外、真空紫外直到软X射线范围的光谱辐射基准。

　　为了适应我国同步辐射应用的需要和计量科学本身的发展,首先应研究同步辐射源的光谱特性,为以后建立基准打下一些理论基础。

　　1　同步辐射理论

　　1.1　任意运动带电粒子的电磁场

　　首先求带电粒子的辐射场。束线给出这个运动粒子所激发的势,如图1所示,在观察点x处,时刻t的势是粒子在较早时刻t′激发的。t′时刻粒子处于x0(t′)点上,其运动速度为v(t′),粒子与观察点的距离为r= x-x0(t′) =c(t-t′)。则此带电粒子所激发的势由(Lienard-Wiechert)公式给出:

　　通过计算可解得:

　　其中,n 为r 的方向单位矢量。把势对观察点坐标x和t求导,可得到电磁场强

　　于是有:

　　上式为任意运动带电粒子的辐射场。场强与加速度v。 成正比,即当带电粒子受到加速时就有电磁波辐射,且辐射场是横向的,即E 和B 都与n 垂直,并且E 和B 互相垂直。辐射场与r成反比,能流与r2成反比,因而总辐射能量可以传播到任意远处。

　　1.2　高速运动带电粒子的辐射

　　所谓高速运动即指粒子运动速度接近于光速的情况,这种粒子具有相对论效应。下面对这种情况下粒子的辐射场能流、辐射功率进行讨论。根据电磁学理论,能流S 有

　　将式(4)代入得:

　　能流S 是用观察时间t计算的单位时间内垂直通过单位截面的电磁能量。求总辐射功率时,需要把能流进行球面积分。以P(t′)表示在单位时间内的辐射功率,于是有:

　　将上式微分后,辐射功率的角分布为: