Циклотронное излучение

Циклотронное излучение — это электромагнитное излучение , испускаемое нерелятивистскими ускоряющимися заряженными частицами, отклоняемыми магнитным полем . ^[1] Сила Лоренца, действующая на частицы, действует перпендикулярно как линиям магнитного поля, так и движению частиц через них, создавая ускорение заряженных частиц, которое заставляет их испускать излучение в результате ускорения, которому они подвергаются при вращении по спирали вокруг линий магнитного поля.

Название этого излучения происходит от циклотрона , типа ускорителя частиц , используемого с 1930-х годов для создания высокоэнергетических частиц для изучения. Циклотрон использует круговые орбиты, которые заряженные частицы демонстрируют в однородном магнитном поле. Более того, период орбиты не зависит от энергии частиц, что позволяет циклотрону работать на заданной частоте . Циклотронное излучение испускается всеми заряженными частицами, движущимися через магнитные поля, а не только теми, которые находятся в циклотронах. Циклотронное излучение плазмы в межзвездной среде или вокруг черных дыр и других астрономических явлений является важным источником информации о далеких магнитных полях. ^{[2] [3]}

Характеристики

Мощность ( энергию в единицу времени) излучения каждого электрона можно рассчитать: ^[4]

${\displaystyle {-dE \over dt}={\sigma _{t}B^{2}v^{2} \over c\mu _{0}}}$

где E — энергия, t — время, — сечение Томсона (полное, а не дифференциальное), B — напряженность магнитного поля, v — скорость, перпендикулярная магнитному полю, c — скорость света, а — проницаемость свободного пространства . ^{[ требуется проверка ]} ${\displaystyle \sigma _{t}}$ ${\displaystyle \mu _{0}}$

Циклотронное излучение имеет спектр с основным пиком на той же основной частоте, что и орбита частицы, и гармониками с более высокими интегральными множителями. Гармоники являются результатом несовершенств в фактической среде излучения, которые также создают уширение спектральных линий . ^[5] Наиболее очевидным источником уширения линий являются неоднородности в магнитном поле; ^[6] когда электрон переходит из одной области поля в другую, его частота излучения будет меняться в зависимости от напряженности поля. Другие источники уширения включают столкновительное уширение ^[7], поскольку электрон неизменно не будет следовать идеальной орбите, искажения излучения, вызванные взаимодействием с окружающей плазмой, и релятивистские эффекты, если заряженные частицы достаточно энергичны. Когда электроны движутся с релятивистскими скоростями, циклотронное излучение известно как синхротронное излучение .

Отдача, испытываемая частицей, испускающей циклотронное излучение, называется реакцией излучения . Реакция излучения действует как сопротивление движению в циклотроне; и работа, необходимая для ее преодоления, является основной энергетической стоимостью ускорения частицы в циклотроне. Циклотроны являются яркими примерами систем, которые испытывают реакцию излучения.

Примеры

В контексте магнитной термоядерной энергии потери на циклотронное излучение приводят к требованию минимальной плотности энергии плазмы по отношению к плотности энергии магнитного поля.

Циклотронное излучение, вероятно, возникнет при ядерном взрыве на большой высоте . Гамма-лучи, образующиеся при взрыве, ионизируют атомы в верхних слоях атмосферы, и эти свободные электроны будут взаимодействовать с магнитным полем Земли, создавая циклотронное излучение в форме электромагнитного импульса (ЭМИ). Это явление вызывает беспокойство у военных, поскольку ЭМИ может повредить твердотельное электронное оборудование.

Смотрите также

• Авроральная километровая радиация (АКР)
• Тормозное излучение
• Beamstrahlung
• Синхротронное излучение
• Лазер на свободных электронах
• формула Лармора

Ссылки

1. Монреаль, Бенджамин (январь 2016 г.). «Одноэлектронное циклотронное излучение». Physics Today . 69 (1): 70. Bibcode : 2016PhT....69a..70M. doi : 10.1063/pt.3.3060 .
2. Dogiel, VA (март 1992). "Гамма-астрономия". Contemporary Physics . 33 (2): 91–109. Bibcode : 1992ConPh..33...91D. doi : 10.1080/00107519208219534.
3. Железняков В.В. (январь 1997 г.). «Космическая плазма в экстремальных условиях». Радиофизика и квантовая электроника . 40 (1–2): 3–15. Бибкод : 1997R&QE...40....3Z. дои : 10.1007/BF02677820. S2CID  121796067.
4. Лонгэр, Малкольм С. (1994). Астрофизика высоких энергий: Том 2, Звезды, Галактика и межзвездная среда. Cambridge University Press . стр. 232. ISBN 9780521435840.
5. Хилдич, РВ (2001). Введение в тесные двойные звезды. Cambridge University Press. стр. 327. ISBN 9780521798006.
6. Кэрнс, РА (2012). Физика плазмы. Springer. стр. SA7–PA8. ISBN 9789401096553.
7. Хаякава, С.; Хоккё, Н.; Терашима, И.; Цунетто, Т. (1958). Циклотронное излучение намагниченной плазмы (PDF) . 2-я Женевская конференция по мирному использованию атомной энергии.