Интерференционные эффекты в процессах взаимодействия быстрых заряженных частиц с конденсированным веществом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИ!"! ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им.Д.В.СКОКЕЛЬЦЫНА

?rs ол

17 акт г-

На правах рукописи

Насонов Николай Николаевич

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОЦЕССАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЫСТРЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С КОНДЕНСИРОВАННЫМ ВЕЩЕСТВОМ

Специальность 01.04.16 Физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1996 г.

Работа выполнена в Харьковском физико-техническом институте и Белгородском университете.

Официальные оппоненты - доктор физ.-мат. наук,

профессор Рухадзе Анри Амвросиевич (ИОФАН, Москва)

доктор физ.-мат. наук, профессор Столяров Станислав Николаевич (НИИ "Полюс", Москва)

доктор физ.-мат. наук, профессор Тулинов Анатолий Филиппович (НИИ ЯФ МГУ, Москва)

Ведущая организация-Центр фундаментальных исследований "Сириус" при Томском политехническом университете

Защита состоится " " ¿> г с ¿¿и -'/-м 1996 г. в 15 час. на заседании Диссертационного совета Д 053.05.42 в МГУ.

Адрес: 119899 Москва, Воробьевы горы, НИИ ЯФ МГУ, 19 корпус, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ЯФ МГУ. Автореферат разослан V--- 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 053.05.42. доктор физ.-мат. наук

Страхова С.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Изучение процессов взаимодействия быстрых заряженных частиц с веществом имеет не только фундаментальное значение для развития современных методов исследования структуры вещества, но и находит широкое применение при решении прикладных задач в области эксперемента, источников излучения и вторичных час тиц, ускорительной техники, методов обработки и диагностики материалов и т.д.

Физика взаимодействия быстрых частиц и излучения с веществом развивается в двух направлениях. С одной стороны постоянно уточняется описание взаимодействия частиц и фотонов с отдельными атомом. С другой стороны происходит развитие физики процессов коллективного взаимодействия, в которые атомы среды вносят когерентный вклад.

Настоящая диссертация посвящена анализу коллективных процессов взаимодействия быстрых частиц с конденсированным веществом. Необходимость такого анализа обусловлена как отсутствием физической ясности в описании ряда фундаментальных процессов излучения быст-рых частиц в среде (не выяснена роль междуатомных корреляций в процессе поляризационного тормозного излучения (ПТИ) быстрых частиц в конденсированном веществе, имеются противоречия в описании тормозного излучения в тонком слое вещества, а также в описании относительного вклада в когерентное излучение каналированных и надбарьерных электронов, взаимодействующих с атомной цепочкой кристалла, отсутствует единый подход к описанию рентгеновского излучения релятивистских частиц в кристалле, учитывающий интерференцию всех когерентных механизмов излучения и т.д.), так и запросами со стороны важных приложений, таких как создание источника квазимонохроматического перестраиваемого рентгеновского излучения, источника позитронов для ли-

непны.х коллаидеров, источников линейно н циркулярно поляризованных гамма-квантов для исследовании в области фотоядерной физики и физики элементарных чаетц. ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является :

- развитие теории процессов излучения быстрых заряженных частиц в конденсированном веществе, для которых характерно взаимодействие частицы с совокупностью атомов вещества как с целым;

- теоретическое обоснование и инициирование постановки новых эксперементов в области физики излучения быстрых заряженных частиц в конденсированном веществе, а также интерпретация данных проведенных эксперементов;

- решение прикладных задач в области создания эффективных источников рентгеновского излучения, а также источников позитронов. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в том, что в ней впервые:

- на основе микроскопического подхода исследовано влияние междуатомных корреляций на свойства ПТИ быстрых заряженных частиц в конденсированных средах, предсказан эффект подавления низкочастотной составляющей ПТИ в аморфной среде вследствие корреляций, обусловленных конечностью размера атомов, а также эффект подавления некогерентной составляющей ПТИ в кристалле во всей области спектра, показано,что параметрическое рентгеновское излучение (ПРИ) быстрого заряда в кристалле является когерентной составляющей ПТИ независимо от толщины кристалла и выполнения условия кинемати-ческого приближения;

- предсказан и описан эффект подавления дипольного тормозного излучения быстрых заряженных частиц, взаимодействующих с ансамблем случайно расположенных рассеивателей;

- предсказан и исследован эффект интерференционного усиления тормозного излучения электронно-позитронных пар высокой энергии в веществе;

з

- предсказан и изучен аномальный эффект плотности в тормозном излучении релятивистского заряда в тонком слое вещества;

- развита общая теория ПРИ релятивистских частиц в кристаллах, учитывающая интерференцию ПРИ и других когерентных механизмов излучения быстрой частицы, предсказано появление острых всплесков в спектрально-угловом распределении ПРИ, интерферирующего с черепковским излучением,а также резкое изменение (зависящее от знака заряда излучающей частицы) спектрально-угловых характеристик ПРИ в условиях его интерференции с когерентным тормозным излучением;

- предложен эффективный метод исследования свойств когерентного излучения релятивистских частиц в ориентированных кристаллах, на основе которого предсказан эффект интерференционного сдвига максимума в спектре излучения ультрарелятивистских электронов, взаимодействующих с атомной плоскостью кристалла, а также эффект зависимости относительного вклада каналированной и надбарьерной фракции электронного потока в выход излучения на атомных цепочках кристалла и начальной энергии электронов ;

- дано теоретическое обоснование нового метода генерации цирку-лярно-поляризованного гамма-излучения в процессе рассеяния надба-рьерных электронов высокой энергии на атомной цепочке кристалла, предсказал эффект монохроматизации такого излучения в условиях интерференции излучения, испускаемого электроном на цепочках, расположенных в атомной плоскости кристалла, предсказан эффект изменения направления линейной поляризации когерентного излучения электронов на атомной цепочке кристалла.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Теоретическое исследование процессов взаимодействия заряженных частиц с веществом проведено в диссертации с использованием апробированных методов теоретической физики. Большинство результатов работы получено в аналитической форме, что позволило дать ясную физи-

ческую интерпретацию исследованных эффектов и осуществить предельные переходы к результатам, полученным ранее другими авторами. Ряд установленных в диссертации теоретических эффектов, таких как аномальный эффект плотности в тормозном излучении релятивистского заряда в тонком слое вещества, интерференция параметрического и когерентного тормозного механизмов излучения быстрой частицы в кристалле. эффект зависимости отнтсительного вклада каналированной и надба-рьернои фракций электронного потока в когерентное излучение на атомных цепочках кристалла, интерференционное смещение максимума в спектре излучения ультрорелятнвистских электронов на атомной плоскости кристалла получили эксперементальное подтверждение. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ определяется общей направленностью исследований диссертации на решение проблемы создания новых эффективных источников излучения и вторичных частиц. В работе:

- предложены и исследованы теоретически конкретные методы увеличения интенсивности и управления параметрами параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов в кристалле;

- развита теория интенсивного источника гамма-излучения на основе когерентного излучения потока релятивистских электронов на атомных цепочках толстого кристалла, учитывающая вклад каналированной и надбарьерной фракций потока, недипольность н квантовую отдачу при излучении, многократное рассеяние и потери энергии первичных электронов ;

- исследована зависимость эффективности источника позитронов, основанного на когерентном излучении релятивистских электронов в кристалле, от атомного номера элемента кристалла и начальной энергии электронов;

- развита теория источника линейно-поляризованного гамма-излучения, основанного на когерентном излучении релятивистских электро-

нов в условиях плоскостного каналнрования в кристалле, позволяющая эффективно рассчитывать характеристики излучения в кристалле большой толщины, и теоретически обоснован метод генерации линейно-поляризованного гамма-излучения в процессе столкновения надбарьерных электронов с атомной цепочкой кристалла;

- развита теория генерации цнркулярно-поляризованного гамма-излучения в процессе неднпольного излучения релятивистских надбарьерных электронов на атомной цепочке кристалла. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Предсказан эффект подавления дипольного тормозного излучения быстрых заряженных частиц, взаимодействующих с ансамблем случайно расположенных рассеивателей. Исследовано проявление этого эффекта, обусловленного насыщением угла многократного рассеяния быстрой частицы на длине формирования излучения, в условиях нзлу-чення нерелятивистских частиц в аморфной среде и в условиях когерентного излучения релятивистских частиц, взаимодействующих с системой атомных цепочек кристалла.

2. Показано существенное влияние междуатомных корреляций на свойства поляризационного тормозного излучения (ПТИ) быстрых заряженных частиц в конденсированных средах. Предсказан эффект подавления низкочастотной составляющей ПТИ быстрого заряда в аморфной среде вследствие корреляций, обусловленных конечностью размера атомов, а также эффект подавления нскогерентной составляющей ПТИ в кристалле во всей области спектра излучения.

3. Выявление резкое различие влияния эффекта плотности на тормозное излучение релятивистского заряда в безграничной среде и в тонком слое вещества. Предсказанный "провал" в спектре тормозного излучения быстрой частицы в слое вещества обусловлен конкуренцией эффекта плотности и эффекта образования низкочастотного плато в спект-ре, определяемого полным углом рассеяния частицы в слое.

4. Установлена существенная модификация свойств параметрического рентгеновского излучения (ПРИ) релятивистских частиц в кристалле в условиях интерференции ПРИ с другими когерентными механизмами излучения. Предсказано появление острых всплесков в спечт-рально-угловом распределении ПРИ, интерферирующего с черенкэв-ским излучением, а также резкое изменение (зависящее от знака заряда излучающей частицы) спектрально-угловых характеристик ПРИ в условиях его интерференции с когерентным тормозным излучением.

5. Предложен эффективный метод расчета излучения релятивистских частиц при произвольной степени недппольности. При помощи этого метода установлен эффект интерферецнонного сдвига максимума в спектре когерентного излучения ультрарелятивистских электронов, взаимодействующих с атомной плоскостью кристалла, а также эффект зависимости относительного вклада каналированной и надбарьерной фракций электронного потока в выход коллимированного излучения на атомных цепочках толстого кристалла от атомного номера элемента кристалла и начальной энергии электронов.

6. Дано теоретическое обоснование новых эффективных методов генерации поляризованных гамма-квантов релятивистскими электронами в кристаллах. Исследована генерация линейно-поляризованного излучения в процессе некоррелированных столкновений электронов с атомными цепочками кристалла и предсказан эффект изменения направления поляризации излучения, обусловленный искривлением траектории электрона в потенциале цепочки, а также тепловыми колебаниями атомов кристалла. Развита теория генерации циркулярно-поляризованных гамма-квантов в процессе неднпольного излучения релятивистских надба-рьерных электронов на атомной цепочке и предсказан эффект монохро-матизации такого излучения в условиях интерференции излучения, испускаемого электроном на цепочках, расположенных в атомной плоскости.

Диссертационная работа составляет основу нового научного направления, заключающегося в исследовании процессов электромагнитного взаимодействия быстрых частиц с веществом, которые определяются как интерференцией между последовательными актами взаимодействия быстрой частицы с атомами вещества, обуславливающей коллективный характер взаимодействия, так и интерференцией между различными механизмами коллективного взаимодействия.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных совещаниях по излучению релятивистских частиц в кристаллах (Нальчик 1988, Звенигород 1990), Всесоюзных и межнациональных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 1989, 1990, 1991, 1992, 1993, 1994, 1995), Всесоюзном совещании по проблемам применения эффектов каналнрования в физике высоких энергий (Протвино 1991), Международных конференциях по атомным столкновениям в твердом теле (Онтарио 1991, Линц 1995), Рабочем совещании по физике на ВЛЭПП (Протвино 1992), Международной конференции по ускорителям высокой энергии (Гамбург 1992), Международных симпозиумах по излучению релятивистских электронов в периодических структурах (Томск 1993, 1995), Международной конференции по физике на Украине (Киев 1993), Европейской конференции по ускорителям (Лондон 1994), Международной рабочей группе по источникам для линейных коллайдеров (Шверин 1994), Междунароной конференции по ускорителям (Даллас 1995), Международной рабочей группе по каналированию (Орхус 1995).

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения. Полный объем работы составляет 262 страницы и включает список литературы из 135 наименований, содержит 37 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. ВО ВВЕДЕНИИ содержится краткое изложение истории вопроса. Сфор-

мулированы цели проводимых исследований и положения выносимые на защиту. Схематично изложено содержание диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации "Интерферционные эффекты в поляризационном тормозном излучении быстрой заряженной частицы, движущейся в конденсированной аморфной среде" исследуется влияние корреляций между последовательными столкновениями быстрой частицы с различными атомами среды на характеристики поляризационного тормозного излучения (ПТИ).

Анализ проводится на основе микроскопического подхода, в рамках которого электромагнитное поле, возбуждаемое движущейся в среде быстрой заряженной частицей, ищется в виде функционала от полного тока в среде, состоящего из тока быстрой частицы и суммы индуцированных токов всех электронов среды. Исходная система уравнений

в которой я и -заряд и траектория быстрой частицы, дополняется выражением для оператора плотности тока электронов среды

где суммирование распространяется на все атомы (индекс а) и атомные-электроны (индекс/?), Л-вектор-потенциал электромагнитного поля.

В РАЗДЕЛЕ 1.1 проводится анализ излучения быстрой частицы в аморфной среде атомов в области энергий излучаемых фотонов 1<<\у<<ш (1-средний потенциал ионизации атомов). В указанном диапазоне энергий взаимодействие электромагнитного поля быстрой частицы с атомными электронами сводится в основном к томсоновскому рассеянию поля, описываемому первым слагаемым в формуле (2).

Целью исследований является выяснение влияния на свойства ПТИ двух факторов, обычно не учитываемых в традиционной теории ПТИ:

(1)

т а 0-1 ^

- г - г

(2)

корреляций между последовательными актами взаимодействия быстрой частицы с различными атомами среды и интерференции между ПТИ и обычным тормозным излучением. Используемый микроскопический подход оказывается исключительно удобным для решения поставленных задач. Более того, использование традиционных методов описания тормозного излучения быстрой частицы в конденсированной среде с учетом многократного рассеяния (метод кинетического уравнения или метод континуального интегрирования) обращает в нуль интерфереционное слагаемое в полном сечении излучения, поскольку распределение быстрых частиц по траекториям в рамках отмеченных подходов содержит только один усредненный параметр-средний квадрат угла многократного рассеяния частицы на единице длины, а флуктуации поля, связанные с ПТИ описываются множеством микроскопических параметров, характеризующих состояние всех атомных электронов среды. В рамках микроскопического подхода флуктуации траектории гщ г описывается набором микроскопических параметров. При этом слагаемое в сечении излучения, описывающее интерференцию между ПТИ и тормозным излучением, оказывается отличным от нуля.

В результате проведенных вычислений получается следующее выражение для спектрально-углового распределения интенсивности излучения

a^V _ гУп, д1д(ядО ~ л2ш!

]

(и-в'к'дт!»-^)

__

(3)

Г(\) = -Д^вшХ- ХсовХ) , V,

X

к

В приведенном выражении величина а обозначает средний размер атома, близкий к радиусу внешних электронных оболочек атома, Я-ра-днус электронного экранирования (обычно И.<<а).

Формула (3) существенно отличается от аналогичных в традиционных теориях ПТИ и тормозного излучения. Последующие разделы первой главы диссертации посвящаются анализу таких отличий.

В РАЗДЕЛЕ 1.2 проводится анализ влияния сомножителя [1-ст ^а)] в формуле (3) на свойства ПТИ равномерно движущегося заряда (при этом в (3) полагается равным нулю слагаемое, пропорциональное величине

- -Л|,). В случае разреженной среды атомов, когда а« 1 форму-

I - V ¿-Л г

ла (3) описывает обычное ПТИ на отдельном атоме. Однако при сг~\ (конденсированная среда) в области малых со, в которой сущест-венна интерференция между элементарными волнами, излучаемыми частицей на отдельных атомах, проявляется резкое подавление ПТИ (см.рис. 1), т.е.указанная интерференция оказывается деструктивной.

В РАЗДЕЛЕ 1.3 исследуется интерференция между ПТИ и тормозным излучением. На существование этой интерференции явно указывает формула (3), причем интерференционное слагаемое зависит от знака заряда быстрой частицы. Показывается, что эффект интерференции в случае аморфной среды является небольшим, поскольку механизмом излучения ПТИ и тормозного излучения соответствуют различные области эффективных переданных импульсов: g,//>Л"l для тормозного излучения и g,// </?"' для ПТИ, а величина g не является фиксированной при излучении в аморфной среде (см. формулу (3)).

В РАЗДЕЛЕ 1.4 анализируется процесс ПТИ в условиях, когда реализуется эффект Вавилова-Черенкова (при этом описание излучения в рамках используемого микроскопического подхода проводится на основе полного выражения для индуцированного тока электронов среды (2)). Показывается, как избежать расходимостей, возникающих в обычной

теории ПТИ прм выполнении условия излучения Вавилова-Черенкова.

ВТОРАЯ ГЛАВА диссертации "Интерференционные эффекты в тормозном излучении быстрой заряженной частицы, движущейся в слое аморфного вещества" посвящена анализу влияния среды на тормозное излучение быстрых заряженных частиц.

В РАЗДЕЛЕ 2.1 показывается, что учет корреляций между последовательными столкновениями быстрой нерелятивистской частицы с атомами аморфной среды радикально изменяет классический результат Бе-те-Гайтлера. При этом спектр излучения частицы в пластине вещества

толщиной Т описывается формулой

.........

у2 i

F = -Í— +-— ffl -Х2¥1-е"л cos<5X) + 2Xe's sinс5х] ,

1 + (1 + x!)Vl Д ' J

гдеХ = — , wt = 2«vfsin5(-)í/c7, , в-угол рассеяния частицы, da, - диффе-ú)t J \2/

ренциалыюе сечение упругого рассеяния частицы на атоме,

(г) ' = er,n0v , ó= й)кТ;

Легко убедится, что при 5« I функция F(X,¿) я i при всех значениях X

(результат Бете-Гайтлера ). Однако, при ¿»1 спектр резко подавлю

ляется в области частот <u<<ut . Предсказываемый эффект подавления излучения отличается от известных эффектов Ландау-Померанчука и Тер-Микаэляна, которые проявляются только при излучении релятивистской частицы. В диссертации показывается, что данный эффект объясняется насыщением угла рассеяния частицы на длине формирования излучения 1

~ — с уменьшением со.

(!)

В РАЗДЕЛЕ 2.2 предсказывается и теоретически исследуется эффект

усиления тормозного излучения электронно-познтронной пары в конденсированном веществе, обусловленный интерференцией излучения, испускаемого компонентами пары.

РАЗДЕЛ 2.3 посвящен анализу когерентных эффектов, возникающих в тормозном излучении релятивистского заряда, пересекающего слой аморфного вещества. Показывается, что в обсуждаемом случае возникает когерентная составляющая излучения, обусловленная дейс-твием на частицу градиента усредненного (в макроскопическом смысле) потенциала, создаваемого всеми атомами среды и пропорционального локальной плотности атомов. Существенно, что данный результат можно выявить только в рамках микроскопического подхода. Выясняется, что величина эффекта слишком мала для его эксперементального обнаружения в случае взаимодействия заряда с одним слоем вещества. Однако в случае периодически слоистой среды, когда происходит конструктивная интерференция когерентной составляющей излучения из различных слоев вещества, эффект становится достаточно большим для эксперементального наблюдения даже с учетом влияния многократного рассеяния частицы.

В РАЗДЕЛЕ 2.4 показывается, что тормозное излучение релятивистского заряда в тонком слое вещества характеризуется еще одной особенностью, отсутствующей в традиционной теории. Полученная формула для спектра жестко коллимированного « излучения электрона с

энергиеЙ£= ту пролетающего через пластину вещества с толщиной Ь имеет вид

-4 -

I. й

где ■/.= , г=^= , - средний квадрат угла расходимости пучка V со

электронов, - средний квадрат угла рассеяния электрона на единице длины, (о„ - плазменная частота среды. Первое слагаемое в (5) описывает вклад переходного излучения, остальные слагаемые отвечают вкладу тормозного излучения. Спектр тормозного излучения (5) резко отличается как от спектра в традиционной теории тормозного излучения в тонком слое вещества (традиционная теория приводит к спектру, описываемому слагаемымО|Ьу4 в формуле (5)), так и от хорошо известного спектра излучения частицы в безграничной среде, для которого характерно подавление излучения в области малых частот за счет эффекта плотности!— » в]/*. ] . Зависимость преставленна на рис. 2. \dijj ) <1со

В диссертации дается объяснение аномального проявления эффекта плотности как результата конкуренции двух тенденций. С одной стороны с уменьшениемо> возникает эффект плотности (прио;^ од). С другой стороны дальнейшее уменьшением приводит к росту длины формирования излучения и в области достаточно малых«, когда длина формирования становится больше толщины пластины, реализуется механизм излучения с траектории в виде угла. Причем угол в данном случае определяется механизмом многократного рассеяния частицы на толщине пластины. На рис. 3 приведены результаты сравнения развитой теории с данными проведенного эксперимента.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА диссертации "Когерентные эффекты в процессах взаимодействия быстрых заряженных частиц с кристаллами" посвящена анализу влияния упорядоченности расположения атомов в кристалле на . процессы рассеяния и излучения быстрых частиц в веществе

В РАЗДЕЛЕ 3.1. показывается, что активно исследуемое в настоящее время параметрическое рентгеновское излучение является когерентной составляющей ПТИ, устанавливается эффект подавления некогерентной составляющей ПТИ в кристалле и аналитически исследуется непрерывный переход процесса ПРИ из кинематического режима в динамический,

что доказывает природу ПРИ как процесса переходного рассеяния.

Общая формула для спектрально-углового распределения интенсивности ПРИ имеет вид

с/1У 16л--ге6 е'г"; . „ „ ч

игпу (ц-^-л2)3

в: соъ2в,

_{г'- +Х „+02)1 +х]оо%2в, 5[со-со,(1-в С1ёвг)] , (6)

где О - объем элементарной ячейки, и^ амплитуды Фурье - разложения восприимчивости кристалла, вь - угол ориентации скорости частицы относительно отражающей плоскости, задаваемой вектором обратной решетки соь - 5т $ ■ Формула (6) отличается от обычной используемой в теории ПРИ формулы кинематического приближения только наличием слагаемых в знаменателях, пропорциональных^ Легко видеть,

что параметр ц = х, а у'~ Хо = ТГ шу : определяет степень влияния динами/ 03 >

ческих эффектов на ПРИ при т] « 1 формула (6) переходит в кинематическую. Существенно, что и в случае ц >>1 влияние динамических эффектов оказывается малым. В диссертации это обстоятельство объясняется действием эффекта плотности (см. рис. 4 и рис. 5).

В РАЗДЕЛЕ 3.2 выводится и аналитически решается кинетическое уравнение, описывающее многократное рассеяние быстрых частиц в ориентированном кристалле с учетом как когерентного азимутального рассеяния на усредненном потенциале атомных цепочек, так и некогерентного рассеяния на флуктуациях потенциала цепочек.

В РАЗДЕЛЕ 3.3 устанавливается и теоретически исследуется эффект подавления излучения релятивистских электронов на атомных цепочках кристалла.

В РАЗДЕЛЕ 3.4 устанавливается эффект немонотонной зависимости величины импульса, переданного кристаллу в процессе рассеяния пучка

релятивистских электронов на системе атомных цепочек кристалла, от угла ориентации импульса электрона относительно цепочки. Формула, описывающая величину переданного импульса Ар имеет вид

у, - угол каналирования, т)1 - плотность цепочек, Т - толщина кристалла, Ja- плотность потока электронов, р - начальный импульс. Результат (7) объясняется участием в процессе только поперечной составляющей импульса электрона рк = рч/. При у/->0 передаваемый импульс уменьшается вместе с рВ области больших у величина Др уменьшаетя вследствие падения сечения рассеяния электронов на цепочке.

В РАЗДЕЛЕ 3.5 показывается возможность каналирования заряженных частиц любого знака в кристалле, обусловленная дискретностью атомных цепочек. Эффект является исключительно волновым и не имеет классического аналога.

В РАЗДЕЛЕ 3.6 устанавливается и исследуется орнентационный эффект в ионизационных потерях энергии электронно-позитронных пар высокой энергии, движущихся в кристалле.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА диссертации "Интерференция параметрического и других когерентных механизмов излучения релятивистских заряженных частиц в кристалле" посвящена исследованию свойств ПРИ в условиях, когда проявляются другие механизмы излучения.

В разделе 4.1 исследуется ПРИ в условиях, когда возможно проявление черенковского эффекта. Показывается возможность возбуждения ПРИ на ветви дисперсионной поверхности, запрещенной при невыполнении условия излучения Вавилова-Черенкова. В условиях резкого изменения восприимчивости кристалла как функции частоты возможно удвоение выхода ПРИ за счет реализации двух а не одного решения дисперси-

Ар = , = V 1-е ,

\ /

(7)

онного уравнения для каждой из ветвей ПРИ.

В РАЗДЕЛЕ 4.2 проводится анализ интерференции между когерентным тормозным и параметрическим механизмами излучения релятивистской частицы в кристалле. Фиксированность переданного импульса существенно увеличивает величину интерференционного эффекта по сравнению со случаем интерференции ПТИ и тормозного излучения в аморфной среде. Например, формула, описывающая распределение излучения, поляризованного в плоскости падения, задаваемой векторами | и имеет вид

<НУ _ 1б,тгУ е'г __(1 + 0,^0,,)_

лаы'в т-пу (цу/г3)2 ^ + Хо+вг)г + х]со^гв,

'"УХ¿¿ва 4

(8) 8[со <уа(1

где <р! - Фурье-образ атомного потенциала. Формула (8) показывает, что слагаемые, отвечающие параметрическому (~ вса2в, ) и когерентному тормозному (~ д<р; ) механизмам излучения могут иметь одинаковый порядок величины, причем вклад когерентного излучения возрастает с уменьшением угла ориентации в,. Угловое распределение излучения, зависящее от знака заряда быстрой частицы, показано на рис. 6. На рис. 6 представлены результаты сравнения теории с проведенным экспериментом.

В РАЗДЕЛЕ 4.3 исследуется влияние на угловое распределение ПРИ переходного излучения, возникающего на входной грани кристалла и дифрагированного на системе атомных плоскостей, ответственных за возникновение ПРИ. Показывается, что интерференционный эффект может иметь значительную величину только в условиях динамической дифракции, что объясняется наличием характерного "провала" (~ у'1) в угловом распределении переходного излучения. В условиях, когда ширина "провала" становится меньше характерной ширины брэгговского отра-

жения(~^^ ), происходит существенное сужение углового распределения результирующего излучения, а зависимость выхода излучения от толщины кристалла становится осциллирующей.

ПЯТ АЛ ГЛАВА диссертации "Процессы генерации фотонов и позитронов высокой энергии потоком релятивистских жлектронов в ориентированном кристалле" посвящена исследованию явлений, определяющих эффективость источников фотонов и позитронов высокой энергии.

В РАЗДЕЛЕ 5.1 анализируется интерференционные свойства процесса излучения электронов сверхвысокой энергии, взаимодействующих с атомной плоскостью кристалла. Показывается, что в условиях существенной недипольности выход излучения не является локальной функцией траектории частицы. Полученное аналитическое решение задачи

Ул}у)+Уг-<% 1 \т1у2 + угл1ё[-уг)

ф =

+УУ

(г'1 + Уг +6:)агз11

. {4<р+<р-в

, агсгш! *

ш

+у;

- 29 ¡апк

Я Е из * '

аыгв

За(01 -У'^У' + У)-^

где - угол ориентации скорости частицы относительно плоскости, е' = е-со, ш'е' = сое , потенциал плоскости <р(Х) = р0сА~2(аХ), показывает наличие сильных осцилляций в спектрально-угловом распределении излучения, обусловленных особенностью траектории электрона в потенциале атомной плоскости (траектория имеет точку перегиба). Интегрирование (9) по углам наблюдения приводит к спектральной кривой, максимум которой существенно смещен по сравнению с положением спектрального

максимума, вычисленного в рамках традиционного приближения постоянного поля ( см. рис.7 и рис.8 ).

В РАЗДЕЛЕ 5.2 рассчитывается вклад каналированной и надбарье-рной фракций в когерентное излучение потока релятивистских элек фонов, движущихся вдоль кристаллографической оси в толстом кристалле. Исследование проводится на основе специально разработанного численно-аналитического метода, позволяющего с одинаковой эффективностью рассчитывать излучение как в дипольном так и в неднпольном режиме. Рассчитанные спектры жестко коллимированного ( вы < у, ) излучения электронов с энергией 1 Гэв в кристаллах кремния и вольфрама сравниваются с экспериментальными данными. Показывается, что вклад каналированной фракции является в обсуждаемых условиях коллимиро-вания излучения определяющим при выолнении условия я/, »1 даже для весьма толстых кристаллов.

В РАЗДЕЛЕ 5.3 рассчитывается схема позитронного источника, основанного на когерентном излучении релятивистских электронов в ориентированном кристалле. Показывается, что эффективность источника слабо зависит от атомного номера элемента кристалла в области энергий электронов порядка 1 Гэв и резко зависит в области энергий порядка десятков Гэв. Причем более эффективными оказываются легкие кристаллы. Дается объяснение выявленной закономерности.

ШЕСТАЯ ГЛАВА диссертации "Поляризационные явления в процессах когерентного взаимодейсмтвия релятивистских электронных пучков с ориентированными кристаллами" посвящена проблеме генерации линейно и циркулярно поляризованного гамма-излучения.

В РАЗДЕЛЕ 6.1 теоретически исследуется возможность генерации линейно-поляризованного излучения в процессе некоррелированных столкновений релятивистских электронов с системой атомных цепочек кристалла. Полученная в случае цг » ^ ( у - угол ориентации импульса электрона относительно оси цепочки, у/, - угол каналирования) формула

для третьего коффициента Стокса

Ъ1

о(1 + Х)'

¿0 + *) -■Л (10)

1 + Х; | аг '

(1 + х)2 2ее'

где = + X) , а = уг9\ы . 9, - Фурье-образ усредненного потен-2е'у/ '

циала атомной цепочки, показывает возможность наблюдения интересного эффекта изменения направления поляризации излучения с ростом энергии гамма-кванта со. Показывается, что такой эффект может проявиться только при учете тепловых колебаний атомов кристалла; дается объяснение эффекта.

В РАЗДЕЛЕ 6.2 проводится анализ процесса генерации линейно-поляризованного гамма-излучения в режиме плоскостного каналирова-ния релятивистских электронов в толстом кристалле. Анализ проводится на основе модели "теплового слоя", позволяющей с относительно малыми затратами времени расчета на ЭВМ рассчитать спектрально угловые и поляризационные характеристики излучения с учетом многократного расеяния электронов. Проведенное сравнение с имеющимися экспериментальными данными показывает адекватность разработанной теоретической модели.

В РАЗДЕЛЕ 6.3 исследуется новая возможность генерации цирку-лярно-поляризованного гамма-излучения методом коллимирования под определенным направлением излучения надбарьерных электронов высокой энергии на атомной цепочке в условиях существенной недипольности процесса излучения. Показывается возможность получеия гамма-квантов со степенью циркулярной поляризации более 50% (см. рис.9).

В ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОМ РАЗДЕЛЕ 6.4 предлагается и анализируется метод монохроматизации циркулярно-поляризованного излучения путем реализации условий конструктивной интерференции излучения,

генерируемого релятивистским электроном на различных атомных цепочках, расположенных кристаллографической плоскости. Показывается возможность достижения относительной ширины спектра излучения порядка нескольких процентов при сохранении степени циркулярной поляризации (см.рис. 10 ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

При достижении поставленных целей в диссертации последовательно развивается концепция единого микроскопического описания всех из-лучательных процессов, сопровождающих движение быстрых заряженных частиц в среде. В основе концепции лежит одновременный учет следущнх факторов:

-атомистической структуры вещества и междуатомных корреляций в процессах взаимодействия быстрой частицы с конденсированным веществом;

-корреляций между последовательными столкновениями быстрой частицы, или кластера быстрых частиц, с атомами, или группами атомов вещества;

-интерференции на уровне амплитуд между различными механизмами излучения быстрой частицы в среде.

Учет перечисленных фактов позволил установить ряд новых закономерностей в процессах электромагнитного взаимодействия частиц с конденсированном веществом, существенно уточнить физическое описание некоторых выявленных ранее эффектов такого взаимодействия, а также решить важные в прикладном отношении задачи в области ис-точнико! жесткого излучения и вторичных частиц.

Основные результаты проведенных исследований сводятся к еле дующим положениям.

1. Предсказан эффект подавления дипольного тормозного излу чения быстрых нерелятивистских частиц в аморфной среде и когерентно

го тормозного излучения релятивистских частиц в ориентированном кристалле. Показано, что данный эффект обусловлен насыщением угла многократого рассеяния быстрой частицы на длине формирования излучения.

2. Предсказан эффект подавления поляризационного тормозного излучения быстрых заряженных частиц в аморфной среде и некогерентной составляющей этого излучения в кристалле. Показано, что проявление этого эффекта обусловлено междуатомными корреляциями в конденсированном веществе.

3. Предсказан аномальный эффект плотности в тормозном излучении релятивистских заряженных частиц в тонком слое вещества. Показано, что предсказываемый "провал" в спектре тормозного излучения обусловлен конкуренцией эффекта плотности и эффекта образования низкочастотного плато в спектре, определяемого полным углом рассеяния частицы в слое.

4. Предсказаны эффекты усиления тормозного излучения е* - пар высокой энергии в аморфном веществе и ориентационной зависимости ионизационных потерь энергии пары в кристалле. Показано, что указанные эффекты обусловлены интерференцией электромагнитных полей компонентов пары.

5. Дана физическая интерпретация параметрического рентгеновского излучения быстрых частиц в кристалле как когерентной составляющей поляризационного излучения. Выяснено соотношение между кинематическим и динамическим режимами параметрического излучения и показано, что эффект насыщения выхода параметрического излучения с ростом энергии быстрой частицы обусловлен проявлением эффекта плотности.

6. Предсказан эффект интерференции когерентного тормозного и параметрического рентгеновского излучения релятивистских заряженных частиц в кристалле.

7. Получено аналитическое решение задачи о многократном рассеянии потока быстрых заряженных частиц на атомных цепочках кристалла, учитывающее как когерентное, так и некогерентное рассеяние.

о. Предсказан эффект немонотонной зависимости величины импульса, передаваемого кристаллу в процессе рассеяния пучка заряженных частиц на атомных цепочках кристалла, от угла ориентации импульса частиц относительно осп цепочек. Показано, что данный эффект обуслоьлен конкуренцией двух тенденций, проявляющихся с ростом угла ориентации: увеличением величины участвующей в процессе поперечной по отношению к осп цепочки составляющей импульса частиц и уменьшением сечения когерентного рассеяния частиц на цепочке.

9. Предложен эффективный численно-аналитический метод расчета спектрально угловых и поляризационных характеристик излучения релятивистских частиц, движущихся в электромагнитных полях сложной конфигурации.

10. Предсказан эффект интерференционного сдвига максимума в спектре когерентного излучения ультрарелятивистских электронов, взаимодействующих с атомной плоскостью монокристалла.

11. Исследован эффект зависимости относительного вклада канали-рованной и надбарьернон фракций потока релятивистских электронов в кристалле в коллимированное излучение на атомных цепочках от атомного номера элемента кристалла и энергии первичных электронов.

12. Предсказан эффект резкого различия зависимости выхода позитронов в источнике, основанном на когерентном излучении релятивистских электронов в тонком кристалле, от атомного номера элемента кристалла в области энергий первичных электронов в единицы и десятки Гэв. Показано, что данный эффект обусловлен недипольностыо процесса излучения электронов с энергией в десятки Гэв в кристалле, проводящей к резкому уширению спектра излучения с ростом атомного номера элемента кристалла.

13. Предсказан эффект изменения направления линейной поляризации когерентного тормозного излучения релятивистских электронов на атомной цепочке кристалла. Показано, что причиной лиги эффекта может являться искривление траектории электрона в усредненном потенциале атомной цепочки или изменение формы усредненного потенциала, обусловленное тепловыми колебаниями атомов кристалла.

14. Предложен новый метод генерации циркулярно-поляризо-ван-ных гамма-квантов в процессе недипольного излучения надбарьерных электронов на атомной цепочке кристалла.

15. Показана возможность существенной монохроматизацни цнрку-лярно-поляризованного гамма излучения без существенной потери степени поляризации при реализации конструктивной интерференции излучения на атомных цепочках, расположенных в одной плоскости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Лапко В.П., Насонов H.H. О параметрическом механизме излучения быстрых заряженных частиц в крнсталлах//ЖТФ. -1990. -Т.60. -В. 1. -С. 160-162.

2. Клейнер В.Л., Насонов H.H., Шляхов H.A. Поляризационное тормозное излучение быстрой заряженной частицы в конденсированной среде//УФЖ.-1992. -Т.37. -В.1. -С. 48-62.

3. Насонов H.H., Сафронов А.Г. О поляризационном тормозном излучении релятивистского заряда в конденсированном веществе// ЖТФ. -1992. -Т.62. -В.10. -С. 1-15.

4. Насонов H.H. О тормозном излучении малых частот//Вопросы атомной науки и техники. -1982. -В.З. -С.83-84.

5. Насонов H.H. Интерференционный эффект в тормозном излуче нии электронно-позитронных пар в веществе//ЯФ. -1994. -Т.57. -В.2. -С. 210-212.

6. Насонов H.H. Когерентные эффекты в тормозном излучении бы-

строп заряженной частицы, движущейся в слое вещества//УФЖ. - 1992. -Т.37.-В.1.-С. 48-62.

7. Насонов Н.Н. О возможности использования параметриче-ского излучения для исследования структуры твердых тел//Вопроса атомной науки и техники. -1991. -В. 1. -С. 127-130.

8. Насонов Н.Н., Шляхов Н.А. Подавление поляризованного гор мозного излучения быстрой частицы в конденсированном веществе //Вопросы атомной науки и техники. -1991. -В.1. -С.124-126.

9. Nasonov N.N., Safronov A.G. Coherent X-ray radiation mecha-nisms for fast charged particles in crystals. -Materials of conference Physics in Ukraine.-Kiev, 1993.

10. Гриненко А.А., Насонов H.H., Цуканов В.Д. Многократное рассеяние быстрых заряженных частиц, движущихся в кристалле вблизи кристаллографической оси//ЖТФ. -1991. -Т.61.- В.2. -С.185-187.

11. Ласкин Н.В., Мазманишвнли А.С., Насонов Н.Н.,Шульга Н.Ф. К теории излучения релятивистских частиц в аморфной среде и кристал-ле//ЖЭТФ. -1985. - Т.89. -В.4. -С.763-780.

12. Гриненко А.А., Насонов Н.Н. Энергетические потери реляти вистской заряженной частицы рождающейся в среде//Труды II рабочего совещания "Физика на ВЛЭПП".-Протвино, 1992. -С.67-75.

13. Насонов Н.Н. Динамический эффект пучков заряженных частиц в монокристаллах//УФЖ. -1982. -Т.27. -В.12. -С.1857-1861.

14. Насонов Н.Н. Дифракционное каналирование быстрых заряжен ных частиц в кристаллах//ЖТФ. -1980. -Т.50. -В.2. -С.439-440.

15. Насонов Н.Н. К теории упругого рассеяния быстрых заряженных частиц на атомной цепочке//УФЖ, 1981, т.26,в.2, с.205-211.

16. Greenenko A.A., Nasonov N.N. Orientation phenomenonin io nization deceleration of electron-positron pairs in chystals//Phys.Lett.A. 1993. -V.382. -P.107-109.

17. Nasonov N.N., Safronov A.G. Interference of Cherenkov and

Parametric x-ray of a fast charged particle//Phys.Stat. Sol.B. -1991. -V.168. -P. 617-624.

18. Nasonov N.N.,Safronov A.G. Polarization bremsstralilung of fast charged particles in crystals//Proc. Int. Simposium RREPS - 93. -Tomsk. Russia, P.242-247.

19. Kleiner V.L., Nasonov N.N., Safronov A.G. Interference between parametric and coherent baemsstrahlung radiation mechanisms of a fast charged particle in a crystal//Phys.Stat. Sol.B. -1994. -V.187. -P. 223-231.

20. Блажевич C.B., Бочек Г.Л., Насонов H.H. и др. Обнаружение интерференции параметрического и когерентного тормозного механизмов излучения релятивистских электронов//Письма*ЖЭТФ. -1994. -Т.59. -В.8. -С.498-500.

21. Blazhevich S.V., Bochek G.L., Nasonov N.N. et.al. First observation of interference between parametric x-ray and coherent bremsstrahlung//Phys. Lett. A., 1994. -V.195. -P.210-212.

22. Lapko V.P., Nasonov N.N. Interference properties of the sinchrotron radiation//Proc.XV Int.confer.on high energy accelerators. Hamburg, 1992. -V.l. -P.546-548.

23. Барц Б.И., Лапко В.П., Насонов Н.Н., Шляхов Н.А. Особенности магнитотормозного предела в теории излучения ультра релятивистского заряда в ориентированном кристалле//ДАН УССР. -1991. -В. 12. -С. 34-37.

24. Lapko V.P., Mondrus I.N., Nasonov N.N. Polarized and interference phenomena in the ultrahigh energy electron radiation in aligned crystsIs//International Simposium of relativistic electron radiation in periodical structures. -Tomsk. -1993. -P.242-247.

25. Лапко В.П., Насонов H.H. Интерференционное смещение максимума в спектре излучения ультрарелятивистских электронов в кристал-ле//ЯФ. -1994. -Т.57. -В.2. -С.204-209.

26. Лапко В.П., Мондрус И.Н., Насонов H.H. Z - зависимость эффективности кристаллического источника позитронов//Письма ЖТФ. -

1994. -Т.20. - С. 66-69.

27. Lapko V.P., Mondrus I.N., Nasonov N.N. Positron sonurce employig crystalline radiator//Proc. 14 European particle acceleraor conference. London. -1994. -V.2. -F. 1492-1494.

28. Lapko V.P.,Nasonov N.N. Generation of linear and circular polarized gamma-quanta at high energy electron accelerators//Proc.XV Inter. Conf.in high energy accelerators, Hamburg. -1992. -V. 1. -P.543-545.

29. Лапко В.П., Насонов H.H., Санин В.M. Генерация циркулярно поляризованного - излучения релятивистскими электронами в кристап-ле//ЯФ. -1992. -Т.35. -В.12. -С.3183-3188.

30. Лапко В.П., Насонов Н.Н., Трутень В.И. Аномальное свойс-тво линейной поляризации когерентного тормозного излучения релятивистских электронов в кристалле//ЖТФ. -1993. -Т.63. -В.1. -С.25-31.

31. Lapko V.P., Nasonov N.N. A new method for producting high energy gamma-quanta with circular poIarization//Nucl.lnstr. Meth. B. -1993. -V.84. -P.48-50.

32. Lapko V.P., Nasonov N.N. Coherent mechanism of generating quasimonochromatic gamma-guanta with circular polarization by relativistic electrons in a crystal//Phys. Lett.A. -1994. -V.195. -P.97-98.

33. Мондрус И.H. Насонов H.H. Спектральные и поляризационные характеристики излучения при плоскостном каналировании// Поверхность. -1994. -Т.5. -С.76-78.

ЛИЧНЫЙ ТВОРЧЕСКИЙ ВКЛАД автора состоит в постановке всех рассмотренных в диссертации задач, проведении принципиальных аналитических исследований, написание текстов научных публикаций по теме диссертации (в совместных с экспериментаторами публикациях автором написаны части текстов, относящиеся к теории).

! I Al, 30 tnkm ! 1 Vi, ! i e", IföMeV

31 I : i ! 1 1 Hl î 1 ! : 1 чщ.а 1 ! il il ! ! ;

1Ä 1 1 ................1.................../1

I Т/ ег^1 i

i i i ! ! !

i i 1

а ш ¿a за o.fceV -я за

Рис.3

Рис.5

0.4 0.2 0

-0.05

0.05

в-иг/2 , radian

Рис.7

Рис.9

B-r

3

"О X ?1 X)

0

. 0.5

"ïsô " i ho ¿fcr cjí G-2V ) '