Глава 8. Механизмы излучения

Механизм излучения - процесс или группа процессов, которые приводят к генерации электромагнитного излучения. Тепловое излучение генерируется частицами, имеющими равновесное распределение по скоростям (максвелловское для нерелятивистских частиц).

В нерелятивистском случае распределение по скоростям записывается в виде:

,

а в релятивистском случае как:

,

где модифицированная функция Ханкеля второго порядка. . С высокой точностью можно использовать функцию распределения для обоих случаев в виде:

,

где - фактор Лоренца.

Такое состояние плазма принимает, если ее, например, поместить в адиабатическую оболочку при постоянной температуре и допустить, что она находится в термодинамическом равновесии с контейнером.

В нерелятивистской плазме средняя тепловая скорость частиц равна:

где m - масса частицы. Тогда:

.

Если же распределение частиц неравновесное, то их излучение будет нетепловым. При этом элементарный процесс излучения может быть самым разнообразным: циклотронное и синхротронное излучение, черенковское излучение, тормозное излучение и т.п.

Излучение возникает при ускоренном движении заряженной частицы. Это необходимое условие для вакуума. Но в среде возможно и излучение зарядов, двигающихся равномерно. В однородной среде это явление называется эффектом Вавилова-Черенкова, в неоднородной среде появляется и переходное излучение. Грубо говоря, летящий заряд возбуждает фоновую плазму, в которой возникают продольные электромагнитные волны.

Для теплового излучения справедлив закон Кирхгофа  (для радиоволн) и яркостная температура излучения (температура черного тела, дающего то же самое излучение) не превышает температуру излучающих частиц:

.

Тормозной механизм излучения возникает при торможении одной заряженной частицы в элек­трическом поле другой. Энергия испускаемого кванта  заведомо не превышает начальной кинетической энергии электрона . Это опре­деляет верхнюю границу спектра тормозного излучения частотой .

Магнитотормозное излучениегенерируется при ускоренном дви­жении заряженных частиц под действием силы Лоренца вокруг силовых линий внешнего магнитного поля. Частицы вращаются вокруг силовых линий с частотой . Характер магнитотормозного излучения зависит от энергии излучающих частиц. Магнитотормозное излучение нерелятивистских частиц с кинетической энергией E_kin << mс² называется циклотронным, а в случае релятивистских частиц с E_kin >> mс² синхротроиным. В промежуточном случае умеренно релятивистских частиц

говорят о гиросинхротронном излучении.

Механизмы излучения подразделяются также на когерентные и на некогерентные. Механизм - когерентный, если спектральная мощность излучения (мощность в единичном интервале частот)      превышает суммарную мощность собственного (спонтанного) излучения отдельных частиц      т.е. . 

В некогерентном механизме  Тепловое излучение - пример некогерентного механизма. Здесь коэффициент поглощения положителен, т.е. >0, < 1 и . Таким образом некогерентный механизм не может обеспечить высоких значений . В радиоизлучении пульсаров  достигает значений  и поэтому здесь неизбежны когерентные механизмы излучения.

Для когерентных механизмов возможны два варианта их реализации: антенный и мазерный. В антенном механизме - фазы излучения отдельных частиц не имеют случайного характера. В этом случае, электрические поля излучения     от отдельных частиц можно сложить (из-за равенства фаз), а энергия излучения пропорциональна:

> ,

т.е. суммарная энергия получилась больше энергии отдельных частиц . Антенный механизмреализуется, если характерный размер ис­точника излучения, называемого «антенной», мал по сравнению с длиной волны излучения: . Излучение в данном случае пред­ставляет собой скоррелированный процесс с участием большого ко­личества излучающих частиц, расположенных на расстоянии  друг от друга.         

В случае  говорят о мазерном механизме. Наличие в ис­точнике областей, характеризующихся неравновесным распределе­нием частиц, приводит к тому, что коэффициент поглощения (реабсорбции) становится отрицательным ( < 0). Вследствие этого излучение каждого элемента источника усилится экспоненциально, по закону ,прежде чем выйдет за его пределы. В мазерном механизме нет фазировки излучения отдельных частиц, но есть такое распределение частиц по энергиям и импульсам, которое обеспечивает инверсионную населенность энергетических состояний (например, растет количество частиц с увеличением их скорости). В такой системе самопоглощение отрицательно ( ) и излучение в среде не поглощается, а усиливается:

> .

В астрофизике рассматривается именно этот тип когерентности.

Для активного действия когерентных механизмов необходимо условие .

В условиях космоса антенный механизм реализовать трудно. Инверсная же населенность энергетических уровней встречается достаточно часто.

Когерентные мазерные механизмы можно разделить на две группы. В первой группе усилению подвергаются непосредственно радиоволны, во второй усиливаются те волны, которые из среды непосредственно выйти не могут     (например, плазменные типы волн), но после взаимодействия которых возникают уже свободно выходящие из среды радиоволны.

 Существуют два типа когерентных мазерных механизмов радиоизлучения

а) Прямое усиление электромагнитных волн, выходящих из источника, обусловленное отрицательным коэффициентом. В этом случае возможен механизм электронного циклотронного мазера (ЭЦМ), действу­ющий в условиях конусной неустойчивости, реализуемой в магнитных арках Солнца и звезд. ЭЦМ генерирует волны с частотой вблизи гармоник гирочастоты электронов

б) Двухступенчатые плазменные механизмыдействуют следующим образом. Сначала возбуждаются плазменные волны, а затем в процессе трансформации (рассеяние на частицах или взаимодействие с другими волнами) часть энергии этих волн переходит в энергию электромагнитного излучения. В случае, когда плотность плазмен­ных волн высока, становится эффективным процесс индуцирован­ного рассеяния плазменных волн в электромагнитные. В этом слу­чае интенсивность рассеянных электромагнитных волн зависит от интенсивности плазменных волн в источнике. Плазменный механизм генерации радиоизлучения возникает с участием ленгмюровских волн с частотой вблизи  наиболее легко возбуж­дающихся в условиях изотропной или плотной ( ) плазмы. Здесь - плазменная (ленгмюровская) частота электронов.

При наличии внешнего магнитного ноля в плазме наибольшим инкрементом обладают волны с частотой вблизи частоты верхнего гибридного резонанса