清華新聞網(wǎng)10月18日電 經(jīng)典電動力學中，做偏轉運動的帶電粒子會產(chǎn)生輻射，稱為同步輻射。如果帶電粒子束團的空間尺寸小于輻射波長，其中不同電荷產(chǎn)生的輻射就會相干疊加，形成與束團電荷量平方成正比的高強度相干同步輻射。利用相干同步輻射效應，最先進的自由電子激光加速器可以在X射線波段產(chǎn)生比傳統(tǒng)同步輻射光源峰值亮度高十個數(shù)量級的X射線激光。另一方面，相干同步輻射效應也是環(huán)形和直線加速器中限制束流強度等參數(shù)進一步提升的關鍵效應。如何理解并準確描述相干同步輻射及其影響下的束流動力學，是提升未來加速器光源輻射亮度的關鍵。
近日，清華大學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展。他提出了一種新的點電荷電磁場的計算框架，將點電荷產(chǎn)生的場分解為瞬時的空間電荷場和“推遲”的輻射反沖場，進而從理論上分離了空間電荷效應和相干同步輻射效應，并展示了瞬時作用、推遲作用、庫侖力和輻射這些經(jīng)典電動力學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，點電荷的推遲解（Lienerd-Wiechert勢）被用來描述點電荷在空間中產(chǎn)生的電磁場。由于空間電荷力的存在，空間電荷力的奇點會使得相干同步輻射理論不可積或者數(shù)值計算精度下降。為了描述相干同步輻射效應，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果并不一致。并且，通過各種重整化方法給出的結果的物理含義也不明確。
相干同步輻射效應的兩種不同物理圖像。（a）Lienerd-Wiechert勢對應的推遲解的物理圖像。（b）瞬時與推遲作用的物理圖像
受經(jīng)典點電荷模型啟發(fā)，劉卓轅在理論上將點電荷產(chǎn)生的電磁場進行頻域和角向分解，并進一步將觀察點的場分解為瞬時場和推遲場（如圖）。其中，瞬時場貢獻了庫侖力和相互作用導致的質量重整化，而推遲場則是光速有限這一物理限制的直接結果。在此基礎上，該理論將電磁場分解成三項，分別為瞬時空間電荷力場、瞬時“壓縮”場和輻射反沖場。可以證明分解的輻射反沖場給出了正確的相干輻射反沖，排除了因為空間電荷效應導致的奇點，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果符合。
該研究成果以“相干輻射中的瞬時和推遲相互作用”（Instantaneous and retarded interactions in coherent radiation）為題，于10月16日發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
清華大學工物系2020級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家計劃、國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃、清華大學工物系學科建設探索項目和清華大學篤實專項等的支持。
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
