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1、辐射第八章辐射第八章2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应1第一页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应27.7.1 1 冷、各向同性等离子体中的色散冷、各向同性等离子体中的色散等离子体频率等离子体频率假定假定单色电磁波单色电磁波，所有物理量随时间和空间变化满足：，所有物理量随时间和空间变化满足：，则，则MaxwellMaxwell方程组为：（外部无源：电荷和电流）方程组为：（外部无源：电荷和电流）其中，其中，为等离子体中由为等离子体中由入射电磁波引起入射电磁波引起（含自由（含自由和束缚电荷、电流）和束缚电荷、电流）第二页，本课件共有20页
2、2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应37.7.1 1 冷、各向同性等离子体中的色散冷、各向同性等离子体中的色散等离子体中电子数密度为等离子体中电子数密度为 ，忽略离子忽略离子，因为它们的，因为它们的运动比电子慢得多，运动比电子慢得多，对电流贡献可略对电流贡献可略。然而它们对电。然而它们对电磁波外其它某些类型的波如朗谬尔波、纵等离子体波磁波外其它某些类型的波如朗谬尔波、纵等离子体波湍元，可能非常重要，且离子保持等离子体湍元，可能非常重要，且离子保持等离子体整体电中整体电中性性。假定无外磁场（等离子体各向同性），电子运动方程：假定无外磁场（等离子体各向同性），电子运动方程：（磁
3、力（磁力 ，可略），可略）电荷守恒定律：电荷守恒定律：第三页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应47.7.1 1 冷、各向同性等离子体中的色散冷、各向同性等离子体中的色散其中，其中，则麦克斯，则麦克斯韦方程组化为：韦方程组化为：化成化成自由空间自由空间中（无源）中（无源）麦克斯韦方程组形式麦克斯韦方程组形式，可，可精确解。设形式解：精确解。设形式解：定义定义介电常数介电常数：第四页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应57.7.1 1 冷、各向同性等离子体中的色散冷、各向同性等离子体中的色散可得：可得：所以所以 构成构成
4、右手螺旋直角坐标系右手螺旋直角坐标系。又：又：第五页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应67.7.1 1 冷、各向同性等离子体中的色散冷、各向同性等离子体中的色散色散关系色散关系：或或 若若 ，为，为虚数虚数，则波振幅随指数，则波振幅随指数（）衰减衰减（范围内）范围内）：等离子体截止频率等离子体截止频率，没电磁波传播，没电磁波传播，如地球电离层如地球电离层(,(,，使，使 辐辐射被阻挡。射被阻挡。探测电离层：从地面上发射一单色频率的脉冲辐射，探测电离层：从地面上发射一单色频率的脉冲辐射，若若 ，则该，则该脉冲辐射被全反射脉冲辐射被全反射，测时间，定高度；，
5、测时间，定高度；用不同频率的脉冲辐射，可得电子密度随高度变化。用不同频率的脉冲辐射，可得电子密度随高度变化。第六页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应7群速度、相速度和折射率群速度、相速度和折射率当当 ，相速度相速度 ，总是超光速，总是超光速群速度群速度(波能量传播速度波能量传播速度)：在电子密度变化的介质中，折射率变化导致在电子密度变化的介质中，折射率变化导致光线沿曲光线沿曲线传播线传播,曲线轨迹方程：曲线轨迹方程：7.7.1 1 冷、各向同性等离子体中的色散冷、各向同性等离子体中的色散第七页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应
6、等离子体效应87.7.1 1 冷、各向同性等离子体中的色散冷、各向同性等离子体中的色散应用应用对脉冲星，距离对脉冲星，距离 ，每个脉冲覆盖一个宽的频率范围，每个脉冲覆盖一个宽的频率范围，因等离子体色散效应，不同频率的脉冲因等离子体色散效应，不同频率的脉冲群速度稍有不群速度稍有不同同，所以到达地球的时间略有不同。，所以到达地球的时间略有不同。因星系介质，因星系介质，,第八页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应97.7.1 1 冷、各向同性等离子体中的色散冷、各向同性等离子体中的色散假定星际空间假定星际空间 ，可得距离，可得距离 。若以其。若以其他方法定他方法
7、定 ，可得，可得 。第九页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应10当高能粒子通过同步辐射、逆康普顿散射、韧致辐射产当高能粒子通过同步辐射、逆康普顿散射、韧致辐射产生高能辐射时，这些辐射必然受上述所言的生高能辐射时，这些辐射必然受上述所言的等离子体效等离子体效应应的影响。的影响。，截止；，截止；色散；色散；路径弯曲；路径弯曲；磁等离子体：磁旋光，使同步辐射的偏振度减小；磁等离子体：磁旋光，使同步辐射的偏振度减小；RazinRazin效应。效应。7.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应第十页，本课件共有20页2022/12/8第七章
8、第七章 等离子体效应等离子体效应117.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应CherenkovCherenkov辐射辐射：高能粒子穿过介质时，：高能粒子穿过介质时，诱发诱发介质中的介质中的粒子运动，产生粒子运动，产生发射发射。假定介质假定介质 与与 无关，则：无关，则：易证真空中麦克斯韦方程组通过以下易证真空中麦克斯韦方程组通过以下替代替代，可得上述介，可得上述介质中方程组质中方程组:所以可以同样方式求解，所以可以同样方式求解，得李纳得李纳-维谢尔势、带电维谢尔势、带电粒子辐射场。粒子辐射场。第十一页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离
9、子体效应127.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应在同一时刻在同一时刻 ，点产生的次波达半径点产生的次波达半径 的球面上：的球面上：，；粒子在时刻粒子在时刻 ，依次达点，依次达点 。速度小于介质中光的相速的匀速运动粒子，与真空中速度小于介质中光的相速的匀速运动粒子，与真空中匀速运动粒子一样，场匀速运动粒子一样，场 ，不辐射；若，不辐射；若 （中（中性的气体或流体中），且粒子速度超光相速，这时势性的气体或流体中），且粒子速度超光相速，这时势与真空中势定性不同：与真空中势定性不同：，当，当 时，时，势发散，使得场，势发散，使得场 不成立，可辐射。不成立，可辐射。第十二
10、页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应137.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应 点产生的次波达半径点产生的次波达半径 的球面上：的球面上：，；所以粒子路径上各点所产生的次波在时刻都在一个锥体所以粒子路径上各点所产生的次波在时刻都在一个锥体之内。在锥面上，各次波相互叠加，形成一个波面。之内。在锥面上，各次波相互叠加，形成一个波面。第十三页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应147.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应第十四页，本课件共有20页2022/12/8第
11、七章第七章 等离子体效应等离子体效应15空间分两区：空间分两区：锥外点无势；而锥内各点，由两个推迟位置决锥外点无势；而锥内各点，由两个推迟位置决定（而非一个！）。如点定（而非一个！）。如点1 1势由推迟位置和共同势由推迟位置和共同决定。所产生的辐射称决定。所产生的辐射称CherenkovCherenkov辐射，垂直辐射，垂直锥面以向外传播。锥面以向外传播。高能宇宙线：高能宇宙线：CherenkovCherenkov辐射相当强，能损机辐射相当强，能损机制；簇射：方向、能量。制；簇射：方向、能量。7.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应第十五页，本课件共有20页2022
12、/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应167.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应第十六页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应177.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应第十七页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应187.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应CerenkovCerenkov线状辐射线状辐射当各向同性速度分布的当各向同性速度分布的相对论电子相对论电子 在在稠密气体稠密气体中运动或撞击稠密气云表面时中运动或撞击稠密
13、气云表面时,Cerenkov,Cerenkov效效应产生的辐射集中于应产生的辐射集中于 很窄的波段很窄的波段 中。中。因为仅在此因为仅在此 中中,气体折射率气体折射率 ,有可能满足有可能满足CerenkovCerenkov辐射条件：辐射条件：。所以更像原子分子谱线所以更像原子分子谱线 ，不像连续谱。故称，不像连续谱。故称Cerenkov line-like radiationCerenkov line-like radiation或者或者Cerenkov emission Cerenkov emission lineline。第十八页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应197.7.2 2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应第十九页，本课件共有20页2022/12/8第七章第七章 等离子体效应等离子体效应207.27.2 高能发射过程中等离子体效应高能发射过程中等离子体效应第二十页，本课件共有20页