사이클로트론 복사

입자물리학에서 사이클로트론 복사 또는 사이클로트론 방사(Cyclotron radiation)는 자기장에 의해 편향된 비상대론적 가속 전하 입자에 의해 방출되는 전자기파이다.^[1] 입자에 작용하는 로런츠 힘은 자기장 자기력선과 자기장을 통과하는 입자의 운동 모두에 수직으로 작용하여, 자기력선을 나선형으로 돌면서 겪는 가속의 결과로 복사를 방출하게 하는 대전 입자의 가속을 생성한다.

이 복사의 이름은 1930년대부터 연구를 위해 고에너지 입자를 생성하는 데 사용된 입자 가속기의 일종인 사이클로트론에서 유래한다. 사이클로트론은 균일한 자기장 내에서 전하 입자가 나타내는 원형 궤도를 이용한다. 또한 궤도의 주기는 입자의 에너지와 무관하므로 사이클로트론이 설정된 진동수로 작동할 수 있다. 사이클로트론 복사는 사이클로트론 내의 입자뿐만 아니라 자기장을 통과하는 모든 전하 입자에 의해 방출된다. 성간매질 또는 블랙홀 및 기타 천문 현상 주변의 플라스마에서 발생하는 사이클로트론 복사는 멀리 떨어진 자기장에 대한 중요한 정보원이다.^[2]^[3]

속성

각 전자의 방출 일률 (단위 시간당 에너지)은 다음과 같이 계산할 수 있다.^[4]

\frac{- d E}{d t} = \frac{σ_{t} B^{2} v^{2}}{c μ_{0}}

여기서 E는 에너지, t는 시간, $σ_{t}$ 는 톰슨 단면적 (미분이 아닌 총), B는 자기장 세기, v는 자기장에 수직인 속도, c는 광속, $μ_{0}$ 는 진공의 투자율이다.

사이클로트론 복사는 입자의 궤도와 동일한 기본 주파수에 주요 스파이크를 가지는 스펙트럼과 더 높은 정수 인수의 고조파를 가진다. 고조파는 실제 방출 환경의 불완전성으로 인해 발생하며, 이는 스펙트럼 선의 폭 확산을 초래하기도 한다.^[5] 선 폭 확산의 가장 명백한 원인은 자기장의 불균일성이다.^[6] 전자가 한 자기장 영역에서 다른 영역으로 이동함에 따라 그 방출 주파수는 자기장의 세기에 따라 변한다. 폭 확산의 다른 원인으로는 전자가 완벽한 궤도를 따르지 못하는 충돌 폭 넓어짐^[7], 주변 플라스마와의 상호 작용으로 인한 방출 왜곡, 그리고 전하 입자의 에너지가 충분히 높을 경우 특수 상대성이론 효과가 있다. 전자가 상대론적 속도로 움직일 때 사이클로트론 복사는 싱크로트론 복사로 알려져 있다.

사이클로트론 복사를 방출하는 입자가 겪는 반동을 방사선 반작용이라고 한다. 방사선 반작용은 사이클로트론 운동에 대한 저항으로 작용하며, 이를 극복하는 데 필요한 작업은 사이클로트론에서 입자를 가속하는 주된 에너지 비용이다. 사이클로트론은 방사선 반작용을 경험하는 시스템의 주요 예이다.

예시

자기장 핵융합 에너지의 맥락에서 사이클로트론 복사 손실은 자기장 에너지 밀도에 대한 최소 플라스마 에너지 밀도의 요구 사항으로 이어진다.

사이클로트론 복사는 고고도 핵폭발에서 발생할 가능성이 있다. 폭발에 의해 생성된 감마선은 상층 대기의 원자를 이온화하고, 이 자유 전자는 지구 자기장과 상호 작용하여 전자기 펄스 (EMP) 형태의 사이클로트론 복사를 생성한다. 이 현상은 EMP가 고체 전자 장비에 손상을 입힐 수 있으므로 군사적으로 우려된다.

같이 보기

각주

↑ Monreal, Benjamin (Jan 2016). 《Single-electron cyclotron radiation》. 《Physics Today》 69. 70쪽. Bibcode:2016PhT....69a..70M. doi:10.1063/pt.3.3060.
↑ Dogiel, V. A. (March 1992). 《Gamma-ray astronomy》. 《Contemporary Physics》 33. 91–109쪽. Bibcode:1992ConPh..33...91D. doi:10.1080/00107519208219534.
↑ Zheleznyakov, V. V. (January 1997). 《Space plasma under extreme conditions》. 《Radiophysics and Quantum Electronics》 40. 3–15쪽. Bibcode:1997R&QE...40....3Z. doi:10.1007/BF02677820. S2CID 121796067.
↑ Longair, Malcolm S. (1994). 《High Energy Astrophysics: Volume 2, Stars, the Galaxy and the Interstellar Medium》 (영어). 케임브리지 대학교 출판부. 232쪽. ISBN 9780521435840.
↑ Hilditch, R. W. (2001). 《An Introduction to Close Binary Stars》 (영어). Cambridge University Press. 327쪽. ISBN 9780521798006.
↑ Cairns, R. A. (2012). 《Plasma Physics》 (영어). Springer. SA7–PA8쪽. ISBN 9789401096553.
↑ Hayakawa, S; Hokkyō, N; Terashima, Y; Tsuneto, T. (1958). 《Cyclotron Radiation from a Magnetized Plasma》 (PDF). 2nd Geneva Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy.

[1] Monreal, Benjamin (Jan 2016). 《Single-electron cyclotron radiation》. 《Physics Today》 69. 70쪽. Bibcode:2016PhT....69a..70M. doi:10.1063/pt.3.3060.

[2] Dogiel, V. A. (March 1992). 《Gamma-ray astronomy》. 《Contemporary Physics》 33. 91–109쪽. Bibcode:1992ConPh..33...91D. doi:10.1080/00107519208219534.

[3] Zheleznyakov, V. V. (January 1997). 《Space plasma under extreme conditions》. 《Radiophysics and Quantum Electronics》 40. 3–15쪽. Bibcode:1997R&QE...40....3Z. doi:10.1007/BF02677820. S2CID 121796067.

[4] Longair, Malcolm S. (1994). 《High Energy Astrophysics: Volume 2, Stars, the Galaxy and the Interstellar Medium》 (영어). 케임브리지 대학교 출판부. 232쪽. ISBN 9780521435840.

[5] Hilditch, R. W. (2001). 《An Introduction to Close Binary Stars》 (영어). Cambridge University Press. 327쪽. ISBN 9780521798006.

[6] Cairns, R. A. (2012). 《Plasma Physics》 (영어). Springer. SA7–PA8쪽. ISBN 9789401096553.

[7] Hayakawa, S; Hokkyō, N; Terashima, Y; Tsuneto, T. (1958). 《Cyclotron Radiation from a Magnetized Plasma》 (PDF). 2nd Geneva Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy.

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