[论文解读] 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 5

一句话总结

本文对电子能量从几百电子伏特到几兆电子伏特范围内的等离子体轫致辐射发射进行了全面研究，涵盖非相对论性和极端相对论性区域。通过使用Born近似和数值计算，推导出能量损失和辐射功率的精确公式，在相对论极限下，数值结果与解析结果高度一致，为高能等离子体中辐射建模提供了一个统一的框架。

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.

研究动机与目标

• 对从低能非相对论性到极端相对论性能量的宽电子能量范围内建模轫致辐射发射。
• 评估在相对论性等离子体条件下Born近似的准确性。
• 推导出可实际用于等离子体物理和天体物理的、对数值结果进行近似的有效公式。
• 量化单个电子的能量损失率（慢化率）以及麦克斯韦等离子体中的总辐射功率。

提出的方法

• 本研究采用Born近似处理相对论性电子散射，并通过数值解进行验证。
• 对电子能量从100 eV到几MeV的范围进行数值计算，以覆盖完整的能量范围。
• 通过等离子体中轫致辐射的微分截面，计算单个电子的有效能量损失率。
• 通过积分电子速度分布，推导出麦克斯韦等离子体体积的总辐射功率。
• 在偏差出现的低能区域，对Born近似应用修正。
• 提出解析拟合公式，以在所有能量范围内近似数值结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在等离子体中，对于极端相对论性电子能量，Born近似在轫致辐射发射中的准确性如何？
• RQ2 从非相对论性到相对论性能量的全范围内，单个电子的能量损失率是多少？
• RQ3 麦克斯韦等离子体的总辐射功率如何随电子温度和能量分布变化？
• RQ4 在低电子能量下，对Born近似需要进行哪些修正？
• RQ5 能否用一个单一的解析公式准确描述从低能到极端相对论性能量的轫致辐射发射？

主要发现

• 在极端相对论性能量（几MeV）下，Born近似对轫致辐射发射给出了高度准确的结果。
• 高能区域的数值结果与解析的极端相对论极限非常吻合，验证了理论方法的正确性。
• 在低能区域（几百eV），需要对Born近似进行修正，因为该近似在此区域失效。
• 推导出单个电子的有效能量损失率，并表明所提出的公式在整个能量范围内均能良好近似该结果。
• 计算了麦克斯韦等离子体的总辐射功率，并表明其与电子温度和密度的一致性。
• 所提出的拟合公式为高能等离子体中轫致辐射建模提供了一种可靠且计算高效的替代方案，可替代完整的数值积分。