电子回旋脉泽辐射（ECME）是一种高效的相干辐射机制，常应用于特征频率比（等离子体频率与电子回旋频率之比）小于1的等离子体环境中，由垂直磁场方向存在正梯度分布的电子激发，通过回旋共振，线性放大辐射。早期研究中多考虑损失锥类分布电子驱动的ECME过程，用以解释极光千米波（AKR）、太阳射电尖峰暴等射电辐射现象。

太阳射电尖峰暴是一种特殊的射电爆发现象，其具有高亮温、强偏振等观测特征，经常可以观测到多次谐频结构。由于尖峰暴通常伴随耀斑大量出现，且每个尖峰的持续时间很短（<100 ms），因此被认为是耀斑中元爆发过程的表现，受到了广泛的关注和报道。

然而，传统的损失锥——ECME理论无法克服在太阳射电应用中的逃逸难题。由于低特征频率比下，损失锥电子主要激发基频辐射，其在日冕中传播时会在二次谐频层被当地电子共振吸收。相较而言，谐频辐射更可能在日冕中逃逸。

耀斑磁重联过程会产生大量的束流电子，当其注入耀斑环中向足点运动时，会形成蹄状电子分布（图1），该分布具有很强的各向异性，可以有效激发ECME辐射。针对AKR源区的实地探测已经证实了此类电子分布的存在。由于耀斑区域的磁场结构和物理过程与AKR源区有很强的相似性，可以假设耀斑中同样存在蹄状分布电子激发辐射。因此，有必要对相关的辐射过程开展研究。在这一问题的驱动下，本工作利用PIC方法模拟了耀斑等离子体环境下蹄状分布电子激发的ECME过程。模拟中等离子体特征频率比设为0.1，对应耀斑区域中的强磁场环境，模拟中共计投放近9亿个宏粒子。

模拟结果表明，蹄状电子驱动的回旋脉泽过程主要激发垂直方向上的Z模与X模二次谐频（X2）辐射，O模基频（O1）与X模三次谐频（X3）也有较弱的增强（图2）。在高能电子与总电子密度比为10%情况下，Z模与X2能量分别占高能电子动能的4.1%和0.17%，而X3能量比X2低两个量级。代入模拟得到的相关参数可估算X2辐射对应的亮温度为1012 K，与尖峰暴观测结果一致。

为研究高能电子密度比对辐射过程的影响，本工作在1%到50%之间选取了八个不同的数值开展了参数研究。结果表明，X2与X3在线性阶段拟合的增长率和能量转化率随密度比升高，在密度比25%时二者能量转化率最高，分别为4%和0.02%（图3）。

本工作利用PIC方法模拟了低特征频率比下蹄状电子驱动的ECME过程，得到了二次谐频辐射的有效激发，有助于解决ECME在太阳射电应用中的逃逸问题；其相应亮温、偏振、持续时间等均与尖峰暴观测特征一致。在高能电子密度比较高的情况下，可以同时观测到三次谐频辐射，可以解释尖峰暴中常见的多次谐频结构。

该工作由山东大学空间科学研究院陈耀团队完成，已被Astronomy & Astrophysics接收，将于近期发表，全文链接https://doi.org/10.1051/0004-6361/202140427。作者感谢国家自然科学基金重大项目课题支持。

图 1 PIC模拟中采用的电子速度分布，包括高能电子（蹄状分布）和背景电子（麦克斯韦分布），其中高能电子与总电子密度比为10%。

图 2 密度比为10%条件下，PIC模拟得到的模式色散关系，传播方向为90°。(a-f)分别代表不同电磁场分量。Z、X2、X3、O1分别代表Z模、X模二次谐频、X模三次谐频以及O模基频。

图 3 四种模式在线性阶段拟合的增长率(a)和饱和时能量转化率(b)随高能电子与总电子密度比的变化关系。