Циклотронное излучение

Циклотронное излучение — это электромагнитное излучение , испускаемое нерелятивистскими ускоряющимися заряженными частицами, отклоняемыми магнитным полем . ^[1] Сила Лоренца на частицы действует перпендикулярно линиям магнитного поля и движению частиц через них, создавая ускорение заряженных частиц, которое заставляет их излучать излучение в результате ускорения, которому они подвергаются, вращаясь по спирали вокруг частицы. линии 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 имеют в однородном магнитном поле. Кроме того, период орбиты не зависит от энергии частиц, что позволяет циклотрону работать на заданной частоте . Циклотронное излучение излучают все заряженные частицы, движущиеся через магнитные поля, а не только те, которые находятся в циклотронах. Циклотронное излучение плазмы в межзвездной среде или вокруг черных дыр и других астрономических явлений является важным источником информации об отдаленных магнитных полях. ^{[2] [3]}

Характеристики

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

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

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

Циклотронное излучение имеет спектр с основным выбросом на той же основной частоте, что и орбита частицы, и гармониками с более высокими интегральными коэффициентами. Гармоники являются результатом несовершенства реальной среды излучения, что также приводит к расширению спектральных линий . ^[5] Наиболее очевидным источником уширения линий являются неоднородности магнитного поля; ^[6] при переходе электрона из одной области поля в другую частота его излучения будет меняться в зависимости от силы поля. Другие источники уширения включают столкновительное уширение ^[7] , поскольку электрон неизменно не сможет следовать по идеальной орбите, искажения излучения, вызванные взаимодействиями с окружающей плазмой, и релятивистские эффекты, если заряженные частицы достаточно энергичны. Когда электроны движутся с релятивистскими скоростями, циклотронное излучение известно как синхротронное излучение .

Отдача, которую испытывает частица, испускающая циклотронное излучение, называется реакцией излучения . Реакция излучения действует как сопротивление движению в циклотроне; а работа, необходимая для ее преодоления, является основной энергетической затратой на ускорение частицы в циклотроне. Циклотроны являются яркими примерами систем, в которых возникает радиационная реакция.

Примеры

В контексте энергии магнитного синтеза потери циклотронного излучения переводятся в требование минимальной плотности энергии плазмы по отношению к плотности энергии магнитного поля.

Циклотронное излучение, скорее всего, возникнет в результате ядерного взрыва на большой высоте . Гамма-лучи , образовавшиеся в результате взрыва, ионизируют атомы в верхних слоях атмосферы, и эти свободные электроны будут взаимодействовать с магнитным полем Земли, производя циклотронное излучение в форме электромагнитного импульса (ЭМИ). Это явление вызывает обеспокоенность у военных, поскольку ЭМИ может повредить полупроводниковое электронное оборудование.

Смотрите также

• Авроральное километровое излучение (АКР)
• Тормозное излучение
• Лучевое излучение
• Синхротронное излучение
• Лазер на свободных электронах
• Формула Лармора

Рекомендации

1. Монреаль, Бенджамин (январь 2016 г.). «Одноэлектронное циклотронное излучение». Физика сегодня . 69 (1): 70. Бибкод : 2016ФТ....69а..70М. дои : 10.1063/pt.3.3060 .
2. Догиэль, Вирджиния (март 1992 г.). «Гамма-астрономия». Современная физика . 33 (2): 91–109. Бибкод : 1992ConPh..33...91D. дои : 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. Лонгэйр, Малкольм С. (1994). Астрофизика высоких энергий: Том 2, Звезды, Галактика и межзвездная среда. Издательство Кембриджского университета . п. 232. ИСБН 9780521435840.
5. Хилдич, RW (2001). Введение в тесные двойные звезды. Издательство Кембриджского университета. п. 327. ИСБН 9780521798006.
6. Кэрнс, РА (2012). Физика плазмы. Спрингер. п. SA7–PA8. ISBN 9789401096553.
7. Хаякава, С; Хоккё, Н.; Терашима, Ю; Цунето, Т. (1958). Циклотронное излучение намагниченной плазмы (PDF) . 2-я Женевская конференция по мирному использованию атомной энергии.