[論文レビュー] Plasma bremsstrahlung emission at electron energy from low up to extreme relativistic values

A. Yu. Chirkov|arXiv (Cornell University)|May 19, 2010

Atomic and Molecular Physics参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、数え百eVから数MeVにわたる電子エネルギーにおけるプラズマブレムストラールング放出について、非相対論的および極端相対論的領域を網羅的に研究している。ボルン近似と数値計算を用いて、エネルギー損失および放射パワーの高精度な式を導出し、相対論的極限において数値的・解析的結果が非常に一致しており、高エネルギープラズマにおける放射のモデル化に統一的な枠組みを提供する。

ABSTRACT

We consider the bremsstrahlung of electrons of fully ionized plasma. Electron energy range extends from a few hundred electron volts before the extreme relativistic energies of several MeV. The results of calculations of effective slow-down rate of a single electron and the power emission from a volume of the plasma with Maxwellian electrons. At relativistic energies, the Born approximation yields highly accurate results. Correction to the Born approximation are considered for low-energy regimes. In the high-energy regimes numerical results are close to extreme relativistic analytic results. The formulas are suggested that approximate the results of numerical calculations.

研究の動機と目的

• 非相対論的から極端相対論的エネルギーにわたる広範な電子エネルギー範囲におけるブレムストラールング放出のモデル化を目的とする。
• 相対論的プラズマ条件下におけるボルン近似の精度を評価することを目的とする。
• 実用的なプラズマ物理学および天体物理学への応用を想定し、数値結果を近似する有効な式を導出することを目的とする。
• マクスウェル分布プラズマにおける個々の電子のエネルギー損失率（減速率）および全放射パワーの変化を定量化することを目的とする。

提案手法

• 相対論的電子散乱におけるボルン近似を用い、数値解と照合することで妥当性を検証した。
• 全エネルギー範囲をカバーするため、100 eVから数MeVにわたる電子エネルギーに対して数値計算を実施した。
• プラズマ内でのブレムストラールングの微分断面積を用いて、個々の電子の有効エネルギー損失率を計算した。
• 電子速度分布関数の積分を用いて、マクスウェル分布プラズマの体積要素からの全放射パワーを導出した。
• ボルン近似の偏差が生じる低エネルギー領域では補正を適用した。
• 全エネルギー範囲にわたって数値結果を近似する解析的フィッティング式を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマ中における極端相対論的エネルギーの電子で、ブレムストラールング放出に対してボルン近似はどの程度正確か？
• RQ2 非相対論的から相対論的エネルギーにわたる全範囲で、個々の電子のエネルギー損失率はどのように変化するか？
• RQ3 マクスウェル分布プラズマからの全放射パワーは、電子温度およびエネルギー分布にどのように依存するか？
• RQ4 低エネルギー領域におけるボルン近似の補正はどのようなものが必要か？
• RQ5 低エネルギーから極端相対論的エネルギーにわたるブレムストラールング放出を1つの解析的式で正確に記述できるか？

主な発見

• 極端相対論的エネルギー（数MeV）におけるブレムストラールング放出に対して、ボルン近似は極めて高い精度を示した。
• 高エネルギー領域における数値結果が解析的相対論的極限と非常に一致しており、理論的手法の妥当性が裏付けられた。
• 低エネルギー領域（数百eV程度）ではボルン近似の破綻が生じるため、補正が必要であることが判明した。
• 個々の電子の有効エネルギー損失率は導出され、提案された式によって全エネルギー範囲で良好に近似された。
• マクスウェル分布プラズマからの全放射パワーは計算され、電子温度および密度と一貫したスケーリング関係を示した。
• 提案されたフィッティング式は、高エネルギープラズマにおけるブレムストラールングのモデル化に、完全な数値積分の代替として信頼性があり、計算効率も高い。