シンクロトロン放射

シンクロトロン放射（磁気制動放射とも呼ばれる）は、相対論的荷電粒子がその速度に垂直な方向（a ⊥ v ）に加速されたときに放出される電磁放射である。これは、一部の粒子加速器で人工的に生成されるか、磁場を通過する高速電子によって自然に生成される。このようにして生成される放射は特徴的な偏光を持ち、生成される周波数は電磁スペクトルの広い範囲に及ぶ可能性がある。^{[ 1 ]}

シンクロトロン放射は、加速が運動方向と平行なときに荷電粒子から放出される制動放射に似ています。磁場内の粒子から放出される放射の一般的な用語はジャイロ磁気放射であり、シンクロトロン放射はその超相対論的な特殊なケースです。磁場内で非相対論的に運動する荷電粒子から放出される放射は、サイクロトロン放射と呼ばれます。^{[ 2 ]}やや相対論的な範囲（光速の約85%）の粒子の場合、その放射はジャイロシンクロトロン放射と呼ばれます。^{[ 3 ]}

天体物理学では、例えば、ブラックホールの周りを荷電粒子が超相対論的に運動することによってシンクロトロン放射が発生します。^{[ 4 ]}光源がブラックホールの周りの円形測地線に沿って運動する場合、運動が超相対論的領域にある光子球に近い軌道でシンクロトロン放射が発生します。

通常はシンクロトロン放射と呼ばれ、電子のエネルギーに応じて3種類に分類できます。^{[ 5 ] [ 6 ]}

• サイクロトロン放射：非相対論的電子（γ ≈ 1）。
• ジャイロシンクロトロン放射またはジャイロ磁気放射：やや相対論的な電子（γ～2～10、運動エネルギーは数十keVから数MeV）。
• シンクロトロン放射：相対論的電子（典型的な天体物理学的場の場合、γ ≫ 10、GeV以上）。

シンクロトロン放射は、1947年4月24日にニューヨーク州スケネクタディにあるゼネラル・エレクトリック研究所の70 MeV電子シンクロトロンで、技術者のフロイド・ハーバーによって初めて観測された。^{[ 7 ]}これは最初に作られたシンクロトロンではなかったが、透明な真空管を備えた最初のシンクロトロンであり、放射を直接観測することができた。^{[ 8 ]}

ハーバート・ポロックの記述によると：^{[ 9 ]}

4月24日、ラングミュアと私は装置を操作しており、いつものように電子銃とその関連パルストランスを限界まで押し上げようとしていました。断続的に火花が散ったため、技術者に保護コンクリート壁の周りの鏡を使って観察するように頼みました。彼は「管の中にアークが見えた」と言ってすぐにシンクロトロンの電源を切るように合図しました。真空度はまだ良好だったので、ラングミュアと私は壁の端まで行って観察しました。最初はチェレンコフ放射が原因かもしれないと思いましたが、すぐにイヴァネンコ放射とポメランチュク放射が見られることがより明確になりました。^{[ 10 ]}

マクスウェル方程式の直接的な帰結として、加速された荷電粒子は常に電磁放射を放出する。シンクロトロン放射は、相対論的速度で運動する荷電粒子が、運動方向に対して垂直な方向に加速を受ける特殊なケースであり、典型的には磁場中で発生する。このような磁場中では、ローレンツ力の法則が示すように、磁場による力は常に運動方向と磁場方向の両方に対して垂直である。

放射線によって運ばれるパワーは、相対論的ラーモアの公式によって（ SI単位で）求められます。^{[ 11 ] [ 12 ]}

$${\displaystyle P_{\gamma }={\frac {q^{2}}{6\pi \varepsilon _{0}c^{3}}}a^{2}\gamma ^{4}={\frac {q^{2}c}{6\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {\beta ^{4}\gamma ^{4}}{\rho ^{2}}},}$$ どこ

• $\displaystyle \varepsilon _{0}}$は真空の誘電率です。
• ${\displaystyle q}$は粒子電荷であり、
• ${\displaystyle a}$は加速度の大きさです。
• ${\displaystyle c}$は光の速度です。
• ${\displaystyle \gamma }$ローレンツ因子は、
• ${\displaystyle \beta =v/c}$、
• ${\displaystyle \rho }$は粒子の軌道の曲率半径である。

放出電子に働く力は、アブラハム・ローレンツ・ディラック力によって与えられる。

要約すると、シンクロトロン放射は、加速された電子の動きに応じてドップラーシフトされたラーモア放射と全く同じものである。

平面内を運動する粒子から放射される放射線は、その平面内で観測すると直線偏光となり、小さな角度で観測すると円偏光となる。しかし、量子力学では、この放射線は離散的な光子のパケットとして放出され、放出される放射線と粒子の軌道に量子ゆらぎが生じる。与えられた加速度に対して、放出される光子の平均エネルギーは、$\displaystyle \gamma ^{3}}$そして排出率は${\displaystyle \gamma }$。

円形加速器では、粒子が磁場内で偏向されるため、常にジャイロ磁気放射が発生します。ただし、放射の量と特性は、発生する加速の性質に大きく依存します。たとえば、質量の違いにより、$\displaystyle \gamma ^{4}}$放出電力の式において、電子は陽子の約10 ¹³倍の速度でエネルギーを放射することを意味する。^{[ 13 ]}

円形加速器におけるシンクロトロン放射からのエネルギー損失は、損失を補うためにビームに追加のエネルギーを供給する必要があるため、当初は厄介なものと考えられていました。しかし、1980年代以降、研究のために意図的に強力なシンクロトロン放射ビームを生成する光源として知られる円形電子加速器が建設されました。^{[ 14 ]}

シンクロトロン放射は、天体によっても生成され、通常は相対論的電子が磁場の中を螺旋状に（したがって速度を変えて）通過する場所で発生します。その特徴の 2 つは、べき乗則エネルギー スペクトルと偏光です。^{[ 15 ]}相対論的荷電粒子が存在する場所であればどこでも、太陽系外磁場の研究において最も強力なツールの 1 つと考えられています。既知の宇宙電波源のほとんどはシンクロトロン放射を放出します。これは、大きな宇宙磁場の強度を推定したり、星間および銀河間媒体の内容を分析したりするためによく使用されます。^{[ 16 ]}

検出履歴

この種の放射線は、 1956年にヤン・ヘンドリック・オルトとセオドア・ウォルラヴェンによってかに星雲で初めて検出され^{[ 17 ]}、数か月後にはジェフリー・R・バービッジによってメシエ87から放出されたジェットで検出された^{[ 18 ]}。これは、1953年にヨシフ・S・シュクロフスキーが予測したことの確認であった。しかし、これはそれより以前（1950年）にハンネス・アルヴェーンとニコライ・ヘルロフソンによって予測されていた^{[ 19 ]} 。太陽フレアは、1948年にR・ジョヴァネッリが示唆し、1952年にJH・ピディントンが記述したように、このように放出する粒子を加速する^{[ 20 ]。}

TK Breusは、天体物理学におけるシンクロトロン放射の歴史における優先権の問題は複雑であると指摘し、次のように述べている。

特に、ロシアの物理学者VLギンズブルグはISシュクロフスキーとの関係を断ち、18年間彼と話をしなかった。西側では、トーマス・ゴールドとフレッド・ホイル卿がH・アルヴェーンとN・ヘルロフソンと対立し、KOキーペンホイアーとG・ハッチンソンは彼らから無視された。^{[ 21 ]}

• 制動放射– 荷電粒子の減速によって生じる電磁放射 
• サイクロトロンの回転率
• サイクロトロン放射– 磁場によって偏向された荷電粒子から放出される放射線 
• 自由電子レーザー– 真空中の電子ビームを利得媒体として利用するレーザー 
• 放射線反応– 加速する荷電粒子に対する反作用力 方向転換ターゲットの簡単な説明を表示するページ 
• 相対論的ビーム効果– 特殊相対性理論による運動物体の光度変化 
• ソコロフ・テルノフ効果– スピン偏極の物理現象 
• シンクロトロン機能

• Brau, Charles A. 『古典電磁気学における現代的問題』 オックスフォード大学出版局、2004年。ISBN 0-19-514665-4。
• ジャクソン、ジョン・デイビッド。『古典電磁気学』ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、1999年。ISBN 0-471-30932-X
• Ishfaq Ahmad、理学博士。「シンクロトロン放射を用いた相対振動子強度の測定」（PDF）。国立理論物理学センター、物理学の最前線に関する全国シンポジウム議事録。パキスタン物理学会。 2012年1月16日取得。

• 宇宙磁気制動放射（シンクロトロン放射）、ギンズブルグ、VL、シロヴァツキー、SI、ARAA、1965年
• ギンズブルグ、VL、シロヴァツキー、SI、ARAA、1969年、「シンクロトロン放射とその再吸収の理論の発展」
• Lightsources.org
• BioSync – 構造生物学者向けの高エネルギーデータ収集施設に関する情報源
• X線データブックレット