同步輻射

同步輻射（英語：synchrotron radiation），又稱同步加速器輻射，或同步光^[1]，是帶電粒子的運動速度接近光速（v≈c）在電磁場中偏轉時，沿運動的切線方向發出的一種電磁輻射，最先在電子同步加速器上發現，故得此名。它與迴旋輻射（由回旋加速器產生的輻射）類似，區別是同步輻射中的電子速度更高，已接近光速，要考慮相對論效應。^[2]:290ff

來自彎曲磁體的同步光

來自波蕩器的同步輻射

宇宙物體以極高速度旋轉時產生的同步輻射

由於重子的靜止質量比電子大三個數量級以上，即使在TeV級的質子同步加速器中，因同步輻射造成的能量損失依然是不重要的。而對MeV級的電子同步加速器，同步輻射已十分顯著。同步輻射使粒子在橫向和縱向的振盪阻尼，並與量子起伏達到平衡態。這也是為什麼電子同步加速器中束流易於穩定和束流發射度較小且不依賴於入射束性能的原因。

由於同步輻射造成的能量損失是阻礙電子同步加速器能量提高的主要因素。同時又發現它具有寬闊的連續光譜、高度的準直性和偏振性等特點，加上高功率和高亮度，使電子儲存環成為一種性能優異的新型強光源而得到廣泛應用。同步輻射又是天體物理中的一種重要輻射機制。

同步輻射的功率

同步輻射的總功率可以表示成：

${\displaystyle P={\frac {2}{3}}{\frac {e^{2}c}{\rho ^{2}}}\beta ^{4}({\frac {E}{mc^{2}}})^{4}}$

其中，ρ是粒子運動的軌道半徑，運動速率${\displaystyle \beta =v/c}$。上式表明，對於給定軌道半徑和速率的粒子，其同步輻射的功率與粒子能量的四次方成正比，與質量的四次方成反比。

在給定磁場的情況下，同步輻射的總功率可以表示成：

${\displaystyle P={\frac {2}{3}}r_{0}^{2}c\gamma ^{2}\beta ^{2}B^{2}\sin ^{2}\alpha =1.6\times 10^{-15}\gamma ^{2}\beta ^{2}B^{2}\sin ^{2}\alpha \quad (\mathrm {erg/s} )}$

上式採用高斯單位制，${\displaystyle \gamma =(1-\beta ^{2})^{-1/2}}$，${\displaystyle r_{0}=e^{2}/m_{0}c^{2}}$是電子經典半徑（英語：Classical electron radius），α是電子速率與磁場的夾角。可見，對於相對論性電子，β≈1，同步輻射的功率與電子能量γ的平方成正比。對於具有各向同性速度分布的電子，平均輻射功率：

${\displaystyle {\bar {P}}={\frac {4}{9}}r_{0}^{2}c\gamma ^{2}\beta ^{2}B^{2}=1.1\times 10^{-15}\gamma ^{2}\beta ^{2}B^{2}\quad (\mathrm {erg/s} )}$

同步輻射的譜分布

在圓軌道的情況下，同步輻射的譜分布與迴旋輻射類似。

同步輻射的輻射壽命

電子由於同步輻射而損失能量。損失大部分能量的時間為同步輻射的輻射壽命：

${\displaystyle t=E/P\simeq {\frac {5\times 10^{8}}{\gamma \beta ^{2}B^{2}\sin ^{2}\alpha }}={\frac {8.7\times 10^{11}}{B^{3/2}\nu _{m}^{1/2}\sin ^{3/2}\alpha }}}$

參考文獻

1. 同步辐射简介----中国科学院重大科技基础设施共享服务平台. lssf.cas.cn. [2023-09-15]. （原始內容存檔於2023-06-05）.
2. Bekefi, George; Barrett, Alan, Electromagnetic Vibrations, Waves, and Radiation, USA: MIT Press, 1977, ISBN 0-262-52047-8

參見

• 同步加速器
• 同步輻射光源