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史密斯-珀塞耳效应

/Smith-Purcell effect/
条目作者邓海啸

邓海啸

最后更新 2022-01-20
浏览 297
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自由电子掠过金属光栅表面时辐射出电磁场的现象。

英文名称
Smith-Purcell effect
所属学科
物理学

1953年,由美国哈佛大学研究生S.J.史密斯在E.M.珀塞耳指导下首次发现,后来被命名为史密斯-珀塞耳效应。史密斯和珀塞耳的实验利用范德格拉夫加速器产生的300千电子伏能量电子束,掠过金属光栅表面,得到波长450~550纳米的可见光。通过实验,他们给出了著名的色散关系式,即史密斯-珀塞耳辐射的共振条件:


式中为波长;为光栅周期间距;为电子速度和真空中光速之比,恒小于1;为极化角;为谐波次数,是整数。史密斯-帕塞耳辐射具有如下特点:

①装置简单。主要利用电子束与金属光栅的作用产生远场辐射,而光栅的加工简单方便。另外,装置体积小,可以方便地插入电子束装置,设计成紧凑型光源。

②空间辐射分布。相对于同步辐射、自由电子激光、渡越辐射,史密斯-帕塞耳辐射具有很宽的出射角,且在不同的出射角辐射出不同频率的光。

③频率可调。根据色散关系,史密斯-帕塞耳辐射可作为频率可调光源,可以根据目标波长设计电子束流能量和光栅结构。然而,辐射强度随着电子束离光栅表面的距离增大呈指数衰减,当距离小于波长时,辐射强度有很大的提高。因此,史密斯-帕塞耳辐射已经成为利用低能电子束产生毫米波或太赫兹源的一种理想方法。实际上,已经根据这个效应制成了几种器件,如奥罗管(Orotron,又称绕射辐射振荡器)、莱达管(Ledatron)等,这类器件还正在发展中。

④具有空间谐波。在某一空间角可以同时探测到基波和高次史密斯-帕塞耳波,其频率成倍数关系。

⑤可用于束流诊断。史密斯-帕塞耳辐射作为非阻断束流的诊断方法,逐渐成为束团长度和纵向分布测量、对撞机粒子位置精细测量等方面的研究热点。

后续研究表明,史密斯-珀塞耳辐射的机理与切伦科夫辐射、微波行波管辐射等都有类似之处,可以归结为慢波结构的作用。匀速运动电子产生的场可看作慢波(或称表面波、衰减波),慢波被光栅衍射形成的辐射,就是史密斯-珀塞耳辐射;而慢波被介质折射,则形成切伦科夫辐射。

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