シンクロトロン放射

シンクロトロン放射（synchrotron radiation）とは、磁場中で螺旋運動する相対論的な荷電粒子、とりわけ電子が放出する磁場回転（ジャイロ）放射である。速度が光速に近づくと、非相対論的なサイクロトロン放射が基本周波数の単色光であったのに対し、放射は広い周波数帯域にわたる連続スペクトルとなり、かつ電子の進行方向に強く偏向（ビーミング）される。核融合プラズマの分野では、この放射が高エネルギー電子のエネルギー損失経路であると同時に、トカマク中の高速電子（ランナウェイ電子）を直接「見る」ほぼ唯一の診断手段でもある。磁場に沿って螺旋を描く電子から受信器へ放射が届く様子を模式的に示したのが次の図である。

図は一様磁場 B₀ 中を螺旋運動する電子と、その進行方向から角度 θ_view だけ離れた方向に置かれた受信器の幾何を示す。放射の強度とスペクトルは、電子のエネルギー（γ 因子）とピッチ角（磁場に対する速度の傾き）に強く依存するため、観測された放射から電子分布の情報を逆に引き出すことができる。

相対論的電子からのジャイロ磁場放射

電子が磁場中で回転すると、その加速度運動により電磁波を放出する。非相対論的極限では放射はサイクロトロン基本周波数 f_ce とその低次の高調波に集中するが、電子が相対論的になると二つの効果が現れる。第一に、電子の質量が γ 倍に増えるため回転周波数が f_ce/γ に低下する。第二に、電子の静止系から見て放射は前方に集中するが、これを観測系に戻すと高次の高調波が多数重ね合わされ、スペクトルは広帯域の連続的な形をとる。シンクロトロン放射のスペクトルはおよそ 10⁻¹ から 10⁴ f_ce に及び、数 GHz のマイクロ波から可視光の数百 THz までを覆う。これは DIII-D のようなトカマクで f_ce が約 50 GHz であることを考えれば、桁違いに広い帯域である。

放射のピーク周波数と強度は γ とピッチ角で決まる。エネルギーの高い電子ほど高周波側にピークを持ち、単位立体角あたりの放射電力も大きくなる。単一電子のスペクトルを比較したのが次の図で、(a) は 5 keV と 50 keV の電子からの電子サイクロトロン放射（ECE）が基本波と第2、第3高調波に集中しているのに対し、(b)(c) は 4.5 MeV と 19.5 MeV のランナウェイ電子からのシンクロトロン放射が第1000次近くまでの高調波を重ねた広帯域連続スペクトルになることを示している。