Ионизационное и радиационные потери энергии релятивистских электронов и позитронов в монокристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

■ - №

Уз

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.М.ГОРЬКОГО

На правах рукописи

КОВАЛЕНКО Григорий Дмитриевич

УДК 539.12.04 + 539.128.417

ИОНИЗАЦИОННЫЕ И РАДИАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ В МОНОКРИСТАЛЛАХ

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физикд^^уематических наук

С А4 »А. , а«,

г, Sfl f .»-»

"1 - 51

ts \ . / Л..

iSJA'Sft ,

V С !

Работа выполнена в Харьковском ордена Ленина и ордена

Октябрьской Революции физико-технической институте

Официальные оппоненты: - член-корреспондент АН Арм.ССР,

доктор физико-математических наук, профессор Авакян Роберт Овсепович (Ер.®, г.Ереван)

- доктор физико-математических наук, профессор Воловик Валентин Дмитриевич (ХГУ им.А.М.Горького, г.Харьков)

- доктор физико-математических наук Потылицнн Александр Петрович (НИИ® при ТЛИ, г.Томск)

Ведущая организация: Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова

(г.Москва)

Защита состоится " "_19 г. в_часов на

заседании специализированного совета Д 068.31.03 при Харьковском государственном университете им.А.М.Горького (310108, г.Харьков, пр.Курчатова, 31, ауд. №301).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотек ХГУ им.А.М.Горького.

Автореферат разослан "_"_19 г.

Ученый секретарь специализированного

совета црци»^ в.И.Лапшин

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Диссертация посвящена экспериментальному исследованию одной из новых и актуальных проблей электромагнитного взаимодействия с веществом - ионизационным и радиационным потерям энергии заряженных частиц в ыонокрис-таллических средах. На ионизационные и радиационные потери энергии ультрарелятивисгских частиц существенно влияет среда, в которой происходят эти процессы. В случае ионизационных потерь влияние среды приводит к их уменьшению за' счёт уменьшения области взаимодействия в поперечном направлении т.н. "эффент плотности". Влияние аморфной среды на радиационные потери проявляется в уменьшении области взаимодействия "в продольном направлении, что также приводит к их уменьшению.

В отличие от аморфной периодическая среда может привести к увеличению интенсивности излучения его монохроматизации и поляризации. При определённых условиях в монокристаллической среде может возникнуть явление осевого или плосностного каналирования электронов (позитронов). В этом случае появляется новый вид излучения — спонтанное, которое имеет высокую спектральную плотность и малую угловую расходимость. Явление каналирования влияет и на суммарные радиационные и ионизационные потери энергии. Исследование радиационных и ионизационных потерь энергии релятивистскими электронами и позитронами в режиме каналирования является весьма актуальным в связи с практическим использованием когерентного тормозного излучения'(КТЛ) и излучения при наналировании в физике высоких энергий и возможностью создания интенсивных гамма-пучков для прикладных задач. Кроме этого результаты ис-

следований позволит уточнить ряд положений теории КТИ, излучения при каналировании, ионизационных потерь, эмиссии электронов из вещества и др.

Состояние исследуемого вопроса и цель работы. К началу настоящих экспериментальных исследований, которые были начаты в конце шестидесятых годов, существовало представление о том, что излучение в кристалле, а следовательно и радиационные потери энергии ультрарелятивистских электронов и позитронов достаточно полно можно описать используя КТИ, а ионизационные потери, многократное рассеяние не зависят от структуры вещества и для их описания достаточно теории, развитой для аморфных веществ. Влияние каналирования на излучение и потери энергии не рассматривалось.

Основной целью настоящей работы являлось исследование явления каналирования электронов и позитронов и его влияния на наиболее важные с физической точки зрения механизмы потерь энергии ультрарелятивистских электронов и позитронов.

. Научная новизна работы. Основная часть результатов, включённых в диссертационную работу, получена впервые и затем подтверждена в других научных центрах страны и за рубежом. Тан, впервые экспериментально обнаружен аффект отклонения пучка протонов с энергией 8Л ГэВ изогнутым монокристаллом кремния. Впервые исследовано влияние эффекта каналирования электронов и позитронов и температуры нристалла на КТИ. Впервые исследованы спектральные характеристики ионизационных потерь энергии электронов и позитронов в режиме осевого каналирования. Впервые исследована эмиссия электронов при прохождении релятивистских электронов и позитронов через

нристалл в зависимости от ориентации кристалла и экспериментально определены длины денанэлировэния электронов и позитронов с энергией 1.2 ГэВ в монокристалле нремния.

Значимость результатов исследований. Научная значимость состоит в том, что сформулированные цели и полученные результаты составляют основу перспективного научного направления в экспериментальной физике электромагнитных взаимодействий ультрарелятивистских заряженных частиц с монокристаллами.

Систематические исследования электромагнитного взаимодействия заряженных частиц с монокристаллическими структурами позволили обнаружить целый ряд явлений, которые не находили объяснений в рамках существующих теорий, что способствовало развитию новых более совершенных теорий и стимулировали целый ряд исследований в других научных центрах. Так было с явлением отклонения пучка заряженных частиц изогнутым кристаллом, эмиссией вторичных электронов из монокристаллов, исследованием КТИ для случаев осевого и плоскостного каналирова-ния.

Практическая ценность. Явление отклонения пучка заряяен-ных частиц уае сейчас нашло практическое применение и к настоящему времени осуществлен вывод пучна протонов с помощью изогнутого кристалла в ОИЯИ, ИФВ8 и ФНАЛ.

Результаты исследований явлений эмиссии электронов из монокристаллов, КТИ, излучения при каналировании, ионизационных и радиационных потерь могут быть использпваны для развития и создания теорий электромагнитного взаимодействия заряженных частиц с кристаллами.

Результаты исследований по радиационный и ионизационным потерям могут найти применение при создании интенсивных пуч-

ков тамма-излучения с высоной степенью монохроыатичноси поляризации.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту,

1. Экспериментальное обнаружение и исследование отклс ния протонов с энергией 8,4 ГэВ изогнутым мононристаллоы

2. Результаты экспериментальных исследований спентрал ного состава излучения электронов и позитронов, движущихс вдоль кристаллографических осей и плоскостей и под малым углами к ним.

3. Экспериментальное исследование когерентного тормозш го излучения электронов и позитронов в нристаллах.

Исследование влияния эффектов каналирования на интен сивность излучения электронов и позитронов в "лесткой" области спектра ( 0,1 Е0).

5. Экспериментальные результаты по определению коэффициентов преобразования энергии электронов и позитронов в энергию гамма-излучения в монокристаллах кремния.

6. Экспериментальные результаты исследований спектральных характеристик ионизационных потерь энергии электронов и позитронов при различных углах ориентации кристаллографической оси относительно направления пучка частиц.

7. Обнаружение и исследование ориентационной зависимости выхода дельта-электронов из мононристаллических мишеней при прохождении через них ультрарелятивистских электронов и позитронов.

8. Определение длин деканалирования электронов и позитронов в монокристаллах кремния для оси и плоскости (ПО).

9. Определение механизма образования низноэнергетичных (Е 100 эВ) и вксокоэнергетичных электронов (дельта-электронов) при взаимодействии релятивистсних электронов и позитронов с веществом.

10. Выводы, полученные из сравнения теоретических и экспериментальных результатов.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации представлялись и докладывались на Международных конференциях по атомным столкновениям в твердых телах (Москва 1977 г., Лион 1981 г.), Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий (Протвино 1977 г.), Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с монокристаллами (Москва 1971,1973,1974,1975,1979,1981 гг), Всесоюзном совещании по излучению релятивистсних частиц (Северный Кавказ 1982).

Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в журналах "¿ЭТФ", "Письма в ЛЗТФ", "Ядерная физика", "Атомная энергия", "Приборы и техника эксперимента","Письма в 2ТФ", "Украинский физический журнал","Ehysiсs Letters","Radiation Effects","Nucl.Inst.and Methods" и других журналах, а танже в монографии "Coherent Eadiation sourees',' в виде препринтов ХФТИ, ОИЯИ и в сборниках ВАНТ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; содержит 213 страниц машинописного текста, еключэя 64 рисунка и 168 ссылок на литературу-

Содержание работы

Во введении даётся краткий исторический обзор экспериментальных и теоретических исследований взаимодействия заряжен-

ных частиц с кристаллическими структурами и приведены основные экспериментальные и теоретические результаты, определяются и обосновываются основные цели исследований их актуальность и новизна.

Первая глава, посвящена явлению наналирования частиц в монокристаллах и исследованию отклонения каналированных протонов с энергией 8.4 ГэВ изогнутым монокристаллом.

Под каналированием понимается явление, в котором траектория положительно заряженных частиц вблизи середины каналов вдоль главных кристаллографических направлений, мржет иметь определённую стабильность. При осевом каналировании положительно заряженные частицы,отталкиваясь от положительно заряженных атомов, могут переходить из одного канала в другой. Если их энергия меньше 4,5 эВ, то они находятся в центральной части канала и оказываются как бы закрытыми в пределах одного осевого канала. Это явление называется гипернаналированием. При плосностном каналировании положительно заряженные частицы отталкиваясь от плоскостей монокристалла находятся в области между двумя плоскостями, где нет атомных ядер и электронная плотность мала, в то время как отрицательно заряженные частицы пересекают атомную плоскость, поскольку притягиваются к ней. При осевом каналировании отрицательно заряженных частиц траектория напоминает винтовую линию. По мере прохождения частиц через кристалл будет наблюдаться тенденция к устанрвлению статистического равновесия. Это равновесие для каналирующих частиц наступает на глубине X ' = ^Гь Л/Ж&- ^Кс^. , где М - количество атомов в I см^, О-- радиус экранирования, <Ж - расстояние между атомами вдоль цепочки, - крити-

ческий угол каналирования. Статистическое равновесие приводит к важному явлению перераспределения потока наналированных частиц по поперечным координатам.

Неупругое рассеяние на электронах и атомах мононристалла, дискретность потенциала, тепловые колебания атомов, несовершенство струитуры кристалла и другое приводят к деканалирова-нию частиц. Глубина 'ЗВ'/4, « на которой в режиме наналирования остаётся половина частиц, называется длиной денаналирова-ния. Длина деканалирования растёт пропорционально энергии частиц. В толстых нристаллах на глубине много больше длины деканалирования, из-за многократного рассеяния определённая доля ненаналированных частиц захватывается в режим наналирования. Таной процесс называется реканалированием.

Явление каналирования можно использовать для отклонения положительно заряженных частиц, вошедших в кристалл под углами меньше критического, изгибая кристалл таким образом, чтобы частицы следовали за изгибом^ отклоняясь от первоначального движения. Критичесний радиус кривизны траектории определяется соотношением

где - напряжённость электрического поля на границе нана-

ла, е. - заряд электрона, - импульс и снорость нанали-

рованной частицы, соответственно. Для плоскости (110) кристалла кремния Е ч, =0.6 Ю10 В/см.

Отклонение пучков заряженных частиц впервые экспериментально наблюдалось на выведенном пучке протонов с энергией 8Л ГэВ из синхрофазотрона ОИЯИ.

Для определения траектории заряженных чвстиц до и после отклонения использовался спектрометр, состоящий из 20 дрейфовых камер. Общая длина установки 18 м. Для выделения частиц, попадающих в рабочую зону кристалла и запуска спектрометра, использовалась система сцинтилляционных счётчиков. Установка работала на линии с ЭВМ. На магнитную ленту записывалось до 500 событий за цикл ускорителя. Длина кристалла, через которую проходил пучок протонов, рэвнялась 20 мм. Длина изгибаемой чести была 10 мм. Неисгибаемая часть кристалла представляла полупроводниковый детектор, с помощью которого проводилась точная ориентация плосности (III) кристалла кремния параллельно пучку протонов. Измерения проводились при углах изгиба кристалла в вертикальной плоскости 0.0; 0.5; 1.0; 2.0; 3.0; 4.5; 12.5 и 26.0 мрэд. На рис.1 приведено угловое распределение частиц пучка после изгиба кристалла на угол 4.5 мрад. Справа от широкого ыансимума, обусловленного частицами, испытавшими многократное рассеяние, наблюдается узкий . пин, обусловленный отклонением пучка частиц изогнутым монокристаллом. На рис.16 приведено угловое распределение событий с критерием отбора по величине ионизации и по углу рассеяния частиц. Выделялись-частицы с ионизационными потерями энергии 0,2-0,7 от величины в максимуме спектра и с углом рассеяния меньше 0.1 мрад. В этом случае эффект отклонения проявился более четко. На рис.1в приведено угловое распределение с отбором по критериям, исключающим каналирующие частицы. Эффект отклонения в этом случае отсутствует. Из этих результатов следует, что пин обусловлен отклонением каналирующих частиц.

- Во' Второй главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с радиационными потерями релятивистских электронов и позитронов в "мягкой" области спектра (Е 0.1 Е0) при их движении в направлении главных кристаллографических'осей или -^плосностей.

Экспериментальные исследования излучения были выполнены в ХФТИ на линейной ускорителе ЛУ-2 ГэВ и в ИФВЭ на элентрон-позитронном канале протонного синхротрона.

Экспериментальные исследования спектральных характеристик излучения электронов и позитронов на ускорителе ЛУ-2 ГэВ были проведены двумя методами. Первый - на прямом пучке методом комптоновского рассеяния; второй - после параллельного переноса при работе ускорителя в режиме ускорения одиночных, электродов (позитронов). Первый метод имеет преимущество при измерении излучения электронов (позитронов) из очень толстых мишеней, когда вероятность кратного излучения велика, К его недостаткам следует отнести возможность измерения спентрального состава"" только коллимированного излучения. "На параллельной переносе измерения спектральных характеристик могли проводиться нан для коллимированного так и для неколлимированного излучения, но для более тонких мишеней. Для выяснения достоверности "полученных результатов с помощью этих методик были проведены контрольные измерения спектрального излучения из аморфной алюминиевой мишени. Хорошее согласие экспериментальных и теоретических результатов говорит о пригодности этих методик и достоверности полученных результатов.

При выполнении условий осевого и плоскостного каналирова-ния исследованы спектральные характеристики излучения позитронов с энергиями 0,8 ГаВ для оси [lll| и плоскости (112) при угле коллимации 4*ПГ^рэд; 1,2 ГэВ для оси [ilfj при углах коллимации 2,5'Ю-3рад и 7.1 • 10"^ рад; 10 ГэВ для плоскостей (112) и (ПО). Спектральные характеристики излучения позитронов, с энергией 1,2 ГэВ для кристалла кремния толщиной 1,6 т и угла коллимации 2.5'Ю"3 рад при выполнении условий осевого каналирования с использованием критерия отбора по ионизационным потеряй и для разориентированного кристалла приведены на рис.2.

Как следует из теории спонтанного излучения при осевом или плоскостной каналировании позитронов положение первого максимума в интенсивности излучения зависит от начальной энергии как Е что подтверждается настоящими экспериментальными исследованиями. Второй максимум в интенсивности излучения обусловлен излучением надбарьерных позитронов, а для высоких энергий ещё и недипольностью излучения. Излучение надбарьерных частиц более жесткое, но по интенсивности существенно меньше чем излучение каналированных. Излучение каналированных позитронов с энергией 800 МэВ для оси [iIlQ и плоскости (112) в максимуме спектра примерно в 20 раз превышает интенсивность излучения из аморфной мишени, а с энергией 10 ГэВ в 50 раз для плоскости (ПО) и 15 раз для плоскости (112). Такое поведение интенсивности излучения при плоскостном каналировании позитронов (плосность (112)) обусловлено колдимироввнием излучения позитронов с энергией 0,8 ГэВ.

Спектральные характеристики .излучения, электронов в монокристалле кремния при,выполнении условий осевого или плоскост-

ного каналирования исследованы для начальных энергий 0,6 ГэВ для оси [ill] и плоскости (112) при угле ноллимации ^-'КГ^рад; 1,2 ГэВ для оси [ш] при углах ноллимации 4*10~^рад, 8,3*10"^ рад и 2,5*10~5 рад, плоскости (112) при угле коллимации VI0~^ и плоскости (НО) при углах ноллимации 8,3*10"^рад и г^ЧО^рад; 10 ГэВ для оси [ill] без коллимации.

Как и в случае позитронов положение максимума в интенсивности излучения в.зависимости от начальной энергии изменяется кан Е . Максимум шире чем в случае излучения позитронов и смещен в сторону более кестного излучения. Интенсивность излучения в максимуме спектра превышает интенсивность из эквивалентной аморфной мишени для начальной энергии электронов 600 МэВ в 12 раз, 1200 МэВ - 20 раз, и 10 ГэВ в 70 раз для оси [ill] и для плоскости (112) в 12 раз для энергии 600 и 1200 МэВ.

Теория спонтанного излучения электронов при осевом и плоскостном каналировании, так же как и для позитронов удовлетворительно описывает экспериментальные результаты.

Для кристалла кремния толщиной 1,6 мм определены радиационные потери энергии электронов и позитронов с .энергией 1,2 ГэВ в энергетичесних диапазонах 12 МэВ Е < 160 МэВ для электронов и 1.5 МэВ < Е ^ 25 МэВ для позитронов, где основной внлад в излучение вносят каналирующие и надбарьерные частицы, Для элентронов и позитронов в случае осевого наналирова-ния (ось [ш] ) радиационные потери для электронов примерно в шесть раз, а для позитронов в четыре раза больше чем для аморфной мишени эквивалентной толщины. Поэтому применение моно-нристаллов в качестве мишени источника гаммя-излучения может стать оправданным.

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с КТИ при различных углах ориентации нристалла, влиянием температуры кристалла на ориентационные зависимости, спектральный состав излучения; исследуются спектральные характеристики и интенсивность излучения электронов и позитронов под углом 0¿ = = 1.7Ч0 рад относительно направления пучка начальных частиц при выполнении условий осевого каналирования. Исследования ориентационных зависимостей интенсивности тормозного излучения фиксированных энергий выявили ряд особенностей. При выполнении условий осевого или плоскостного наналирования экспериментальные результаты и расчёты по теории КТИ отличаются. Для позитронов экспериментальные результаты ниже расчётных, а для электронов - выше. С увеличением толщины кристалла это различие уменьшается как для электронов так и для позитронов. Исследования спектральных характеристик излучения электронов и позитронов для углов ориентации кристалла относительно направления пучка Э = 0 (условие осевого каналирования) и & =1*10"^ (условие' плоскостного каналирования) и сравнение этих результатов с расчётом по теории КТИ позволили получить количественные оценни расхождения теории и эксперимента. При исполнении условий осевого наналирования в кристалле кремния толщиной 240 мкм во всём диапазоне измеренных энергий наблюдается для позитронов уменьшение интенсивности излучения примерно в 10 раз, а для электронов - увеличение примерно в 2 раза по сравнению с разори-ентированным кристаллом. Аналогичное влияние каналирования обнаружено и для излучения под углом ©1 = 1,7*10"^ рад относительно первоначального направления электронов (позитронов).

Расхождение теории и эксперимента обусловлено пространственным перераспределением потока начальных частиц, которое для электронов и позитронов происходит по разному. Для электронов плотность потока вблизи оси увеличивается, а для позитронов -уменьшается, что приводит к соответствующему изменению и интенсивности излучения. При выполнении условия плоскостного каналирования для исследуемых толщин существенное изменение пространственного распределения обнаружено только для позитронов.

На рис Л и 5 приведены спектральные характеристики излучения электронов и позитронов в кристалле германия при углах ориентации кристалла © = 0 и © = Ю'^рад относительно направления пучка частиц для двух температур кристалла Т = 77 и 293К. При выполнении условий осевого каналирования ( <Э = 0) изменение интенсивности излучения происходит только за счёт изменения числа канэлирующих частиц. Для позитронов интенсивность излучения при температуре нристалла Т = 77К уменьшилась примерно в два раза по сравнению с излучением при Т = 293К. Для электронов увеличение интенсивности излучения не произошло. По-видимому ожидаемое увеличение излучения за счёт эффекта каналирования компенсировалось уменьшением некогерентной части излучения при охлаждении кристалла до температуры 77°К. Для угла ориентации О = Ю'^рад (выполнено условие плоскостного каналирования) охлаждение кристалла до температуры 77К приводит к заметному увеличению излучения в ногерентноы максимуме. Это говорит о том, что критический угол каналирования для плоскости практически не меняется при охлаждении кристалла, а увеличение интенсивности излучения при охлаждении нристалла обусловлено увеличением КТИ.

Результаты исследования ориентационных зависимостей интенсивности фотонов фиксированной энергии, и спектральных характеристик излучения элентронов и позитронов для фиксированных углов ориентации кристалла необходимы были для изучения процесса КТИ в монокристаллах. Для практического применения важны полные потери на излучение при прохождении электронов и позитронов через монокристалл и зависимость этих потерь от толщины. В работе исследовались ориентационные зависимости потерь энергии на излучение элентронами и позитронами с начальной энергией I ГэВ для толщин кристаллов кремния 190, 640 и 3690 мкм. Полные потоки энергии измерялись квантометром Гаусса. Экспериментальные результаты сравнивались с расчётами по КТИ. Максимальное различие между экспериментальными и теоретическими результа- ■ тами наблюдается при выполнении условий осевого каналирования. С увеличением толщины кристалла различие уменьшается и для электронов это происходит быстрее, чем для позитронов, что обусловлено различной длиной деканалирования для электронов и позитронов.

Коэффициент преобразования энергии электронов в энергию фотонов для толщины кристалла кремния 3680 мкм для начальной энергии I ГэВ примерно в 1.5 раза выше чем в аморфной мишени (для кристалла толщиной 190 мкм - в Е.5 раза) и составляет около 5% (для кристалла толщиной 190 мм ~ 0.5$). Для позитронов с энергией I ГэВ коэффициент преобразования меньше чем для аморфной мишени эквивалентной толщины.

В четвертой главе рассматриваются ионизационные потери энергии релятивистских электронов и позитронов для различных . ориентаций кристаллов относительно направления пучка частиц.

Для измерения ионизационных потерь энергии использовался полупроводниковый детектор, изготовленный из монокристалла кремния р - типа толщиной 1.6 и 1.8 мм с удельным сопротивлением ~ 100 ном'см. Энергетическое разрешение детектора по альфа-частицам с энергией 5.16 МэВ (ширина на полувысоте) 30 кэВ. Калибровка детектора была выполнена с помощью гамма-источнинов по комптоновскому краю спектра.

Спентры ионизационные потерь энергии позитронов с энергией 1,2 ГэВ в ориентированном и разориентированном кристалле толщиной 1.6 мм показаны на рис.6 совместно с расчётной кривой с учётом энергетического разрешения и наложений импульсов.

Для позитронов, движущихся вдоль оси [ш] , максимум распределения смещается в область меньших энергий. Наиболее вероятные потери уменьшаются по сравнению с потерями в разориентированном кристалле на 20^ и равны 0.4-2 МэВ. В разориентированном кристалле наиболее вероятные потери энергии равны 0.514 МэВ и расчётная форма хорошо согласуется с экспериментально полученной.

При повороте кристалла относительно направления пучка позитронов на критический угол каналирования (0 = 4'10"^рад) величина наиболее вероятных потерь энергии увеличивается и становится такой же как и для разориентированного нристалла, но распределение более симметрично, а его ширина больше чем для разориентированного кристалла. С увеличением угла ориентации

до 10~^рад наиболее вероятные потери энергии и форма распределения практически не изменяются.

Спектр ионизационных потерь для электронов с энергией 1,2 ГэВ в монокристалле кремния толщиной 1,6 мм не зависит от ориентации кристалла и его форма хорошо согласуется с расчётной, что говорит об отсутствии заметного вклада от каналиро-ванных электронов для такой толщины кристалла.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию эмиссии электронов из монокристаллов кремния различной толщины, ориентационным зависимостям и определению с помощью этого явления длин деканалирования электронов и позитронов с энергией 1,2 ГэВ.

Прохождение электронов и позитронов высоких энергий наряду с выше рассмотренными явлениями сопровождается и эмиссией вторичных электронов. Спектр вторичных электронов состоит из высо-коэнергетичных электронов Е > 0.1 КэВ ( - электроны) и низ-коэнергетичных электронов Е 0.1 кэВ. Электроны высоких энергий образуются в результате урругого рассеяния начальных электронов и позитронов на электронах мишени. Низноэнергетичные электроны образуются в результате неупругого взаимодействия начальных частиц с электронами мишени.

Для измерения эмиссии вторичных электронов использовалась система из эмиттера (исследуемый монокристалл), окруженного с двух сторон коллекторами в виде колец и внутренним диаметром 14 мм. Расстояние между эмиттером и коллектором равно 5 мм. Коллекторы изолированы друг от друга и использовались для создания вытягивающего или запирающего потенциала. Электроны, образовавшиеся в процессе упругого или неупругого взаимодействия понидают

мишень, и её потенциал относительно нуля становится положительным. Величина унесенного заряда за единицу времени определялась с помощью измерения тона компенсации потенциала кристалла. Система из эмиттера и коллекторов устанавливалась в гониометрическую систему.

Выход низкознергетичных электронов из монокристаллов нрем-ния различной толщины не зависит от знака заряда начальной частицы и толщины кристалла и его ориентации. Относительный внлад в суммарный выход из первой поверхности равен 64%, а из второй 36%, что обусловлено эффектом плотности и подтверждает тот факт, что выход низксэнергетических электронов происходит из относительно тонкого слоя, где эффект плотности ещё не влияет на процесс взаимодействия начальной частицы с веществом. Выход высоно-энергетичных электронов увеличивается с толщиной как ~t ^г , что согласуется,с аналитическим расчётом и расчётом, выполненным по методу Монте-Карло, с учетом поглощения электронов в мишени. При выполнении условий осевого или плоскостного-каналиро-ВЗШ1Я выходов высоноэнергетичных электронов в отличие от низко-энергетичных, зависит от ориентации кристалла относительно направления пучка частиц. Как и в случае радиационных и ионизационных потерь тэная зав;1с:ыоеть обусловлена перераспределением потока частиц в кристалле; для электронов наблюдается увеличение выхода & - элентронов, для позитронов - уменьшение.

Используя разность выхода высоноэнергетичных электронов из ориентированного и разориентированного кристаллов нремния для оси [ill] и плосности (110) определены длины денана-

лирования электронов и позитронов с энергией 1,2 ГэВ, рис.? и 8. Длина деианалирования в осевом и плоскостном канале для электронов равна, соответственно, 39+5 мкм и 29+5 мкм, что хорошо согласуется с теоретическими расчётами 34 мкм и 30 мкм; для позитронов - 210 мкы и 190 мкм, что несколько меньше чем расчётное значение 210 мкм для плоскости (ПО).

Заключение

Основные результаты настоящей работы, значительная часть которых получена впервые, заключаются в следующем:

1. Впервые экспериментально обнаружен эффект отклонения пучна протонов с энергией 8,4 ГэВ, движущихся параллельно кристаллографической плоскости (III), изогнутым монокристаллом кремния. С помощью изогнутого монокристалла удалось отклонить пучок протонов на угол 26 мрад.

2. Исследован новый вид электромагнитного излучения электронов и позитронов при их осевом и плоскостном каналиро-вании. Измерены спектральные характеристики для коллимирован-ного излучений для различных толщин кристаллов кремния и начальных энергий электронов и позитронов. Показано, что положение максимума в спектральной интенсивности излучения изменяется в зависимости от начальной энергии электронов и позитронов нак Е05/г до энергии начальных частиц Е0~ 10 ГэВ. Для толстых кристаллов, существенный вклад в излучение обусловлен надбарьерными позитронами и электронами. Излучение над-барьерных позитронов и элеитронов более жесткое чем канали-рованных.

3. Определены радиационные потери энергии наналированных элентронов с энергией 1,2 ГэВ в диапазоне 12 < Б * 160 МэВ и позитронов в диапазоне I <Е 25 МэВ (область энергий где основной внлад в радиационные потери обусловлен излучением наналированных частиц). Спектральная плотность радиационных потерь энергии наналированных элентронов выше чем позитронов.

Разработана методика для исследования кр элентронов и позитронов по вторичным частицам. Исследованы ориентацион-ные зависимости излучения заданной энергии и спектральные характеристики при заданных углах ориентации кристалла иррмния и германия относительно направления пучка частиц. Показано влияние температуры кристалла германия на интенсивность излучения КТИ. Проведено сравнение экспериментальных результатов с расчётами. Определена область применимости теории КТИ. ■

5. Исследовано влияние наналирования электронов и позитронов на спектральные характеристики излучения под нулевым углом относительно движения начальных частиц и под углом ©| = 1,7'10~2рад. Показано, что полная интенсивность излучения каналированных частиц зависит от знака заряда и для позитронов она в 5*10 раз меньше, а для электронов в 1,3-2,3 раза больше чем в аморфной мишени, форма спектра практически не отличается от формы спектра для аморфной мишени в области энергии Е^, > 0.1 Е0. Обнаружено влияние температуры на интенсивность излучения наналированных частиц в области энергий Е у С 0,1 Е0.

6. Исследованы полные радиационные потери энергии электронов и позитронов для различных углов ориентации кристалла относительно направления пучка частиц и толщин кристаллов кремния для начальных энергий частиц I ГэВ и 10 ГэВ. Определены коэффициенты преобразования энергии электронов и позитронов в энергию гамма-излучения. Показано, что для ориентированного кристалла кремния коэффициент преобразования энергии электронов больше, а для позитронов меньше, чем для аморфной мишени.

7. Впервые исследованы спектральные характеристики ионизационных потерь для различных углов влёяа электронов и позитронов в кристалл. Для толстого монокристалла ионизационные потери энергии электронов в пределах экспериментальных ошибок не зависят от ориентации кристалла относительно направления пучка частиц. Ионизационные потери энергии позитронов для ориентированного кристалла меньше чем для разориентированного. Форма спектра также зависит от ориентации кристалла. Для раз-ориентированного кристалла экспериментальные результаты для электронов и позитронов находятся в хорошем согласии между собой и с теоретическими расчётами.

8. Впервые экспериментально обнаружена зависимость эмиссии электронов при прохождении электронов и позитронов через кристалл от его ориентации. При выполнении условий осевого или плоскостного каналирования для начальных электронов наблюдается увеличение эмиссии вторичных электронов, а для позитронов - уменьшение. Такое поведение эмиссии электронов обусловлено пространственным, перераспределением потока каналирующих электронов и позитронов. Определен механизм образования низко-энергетичных (Е 100 эВ) элеитронов.

22

9. Исследована эмиссия электронов при прохождении ультрарелятивистских электронов и позитронов через ыононристаллы различной толщины и для различных ориентации. Определены длины деканалирования электронов и позитронов с энергией 1,2 ГэВ в монокристалле кремния. Для элентронов длина деканалирования для оси [ill] равна 39 ыкм, для плоскости (ПО) - 29 мим. Для позитронов длина деканалирования для оси [ill] равна 210 мкм, для плоскости (ПО) - 187 мкм.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Kovaleako G.D., Kolesnikov Ъ.Та., Rubashkin A.b. Coherent Bremsstrahlung - Experiment.- Topics in Current Physics. Springer - Verlag Berlin Heidelberg, 1985, v.38,p.33-58.

2.Гришаев H.A., Коваленко Г.Д., Шраменкп Б.И. Спентры тормозного излучения электронов и позитронов с энергией I ГэВ в кристаллах кремния, германия и ниобия.- 2ЭТФ, 1977, 72,

12 2, с.437-443.

3.Витьво B.II., Гришаев И.А., Коваленко Г.Д., Шраменко Б.И. Спектры излучения релятивистских электронов в монокристаллах Si, :тъ, \ч. - Письма в ЛТФ, 1981, 7, вып.22, с.1343-- 1346.

4. Водопьянов A.C., Голова тш В.Ii.....Ковалешш Г.Д. и др.

Управление траекториями заряженных частиц с помощью изогнутого монокристалла,- Письма в 2ЭТФ, 1979, 30, вып.7, с.474-478.

5. Elishev Л.?., Filatova IT.A.....Kovalenko G.D. eb al.

Stcorias of charged particle trajectories by a bent crystal jEvc.Lettars, 1979, ¿83, p.337-391.

6. Filatova U.A., Forycki I.I.,... Kovalehko G.D. et al.

A spectrometer to stady spontaneous radiation due to the channeling of high energy electrons and positrons in single crystals. - Nucl.Instr.Methods, 1985.211. p.353-362.

7. Витько Б.И., Гришаев И.А., Коваленко Г.Д.,Шраменко Б.И. Исследование излучения электронов с энергией 1.2 ГэВ в монокристалле кремния.- Письма вИФ, 1979,5,вып.2.1, с.1291-1293.

8. Витько В.И., Гришаев И.А^, Коваленко Г.Д. Спентры излучения позитронов с энергией 800 МэВ в монокристалле кремния.- В кн.: Труды XI Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами.- М.:Изд. МГУ, 1982, с.336-339.

9. Витько В.И., Гришаев И.А., Коваленко Г.Д.,Шраменко>'Б.И. Излучение электронов с энергией 600 МэВ в монокристаллах кремния, ниобия и вольфрама,- В кн.: Труды XI Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных'частиц с кристаллами.- М., Изд.МГУ, 1982, с.340-344.

10. Адейшвили Д.И., Бочек ГЛ.,... Коваленно Г.Д. и др. Ионизационные и радиационные потери энергии релятивистских элентронов в мононристалле нремния.- Я.Ф., 1984,40,

вып.2(8), с.318-325.

11. Адсйивили Д.И., Витько В.И.,...,Ковбленко Г.Д. и др. ионизационные и радиационные потери энергии релятивистских позитронов в монокристалле кремния.- Я.Ф., 1988, 48, вып.1(7), с.38-41.

12. Filatova N.A., Golovatyük V.M....., Kovalenko G.D. et al.

Radiation from the Channeling of 10 GeV Positrons by silicon Single Crystals.- Phys.Hev.betters,1982, 48, H 7, p.488-492.

IJ.Filatova U.A., Golovatyuk V.M.,..., Kovalenko G.D. et al. Radiation from 10 GeV Positrons channeled in silicon Crystals.- Nucl.last.Methods, 1982,124, p.239-241.

14. Булгаков H.K., Водопьянов A.C.,..., Коваленко Г.Д. й др. Исследование особенностей прохождения релятивистских электронов через толстые мононристаллы под малыми углами к направлению кристаллографической оси [ill^ : Препринт ОИЯИ, 1-84-639, Дубна 1984, 4 о.

15. Витько В.И., Гришаев И.А., Коваленко Г.Д. Исследование переходного эффекта в слоистых поглотителях.- Атомная энергия, 1975, 39, в.4, с.275-277.

16. Витько В.Н., Коваленко Г.Д., Стратиенко В.А. Электронная эмиссия при прохождении высокоэнергетичныыи элентронаии тонних фольг.- ПТЭ, 1972, fö 2, 143-149.

17. Булгаков H.K., Водопьянов A.C.,..., Коваленко Г.Д, и. др.:;______

Излучение электронов с энергией 10 ГэВ в мононристалле кремния в процессе осевого каналирования,- Препринт ОИЯИ, 1-83-640,,Дубна 1983, 5 с.

18. Адейшвили Д.И., Бочек ГЛ.,... Коваленко Г.Д. и др. Излучение каналированных позитронов в монокристалле кремния.-УФ1, 1935, 30, ?й Iii с.1654-1656.

19. Гришаев И.А., Коваленно Г.Д., Касилов В.И. и др. Когерентное тормозное излучение электронов и■позитронов на крисмл-лах нрешгоя и ниобия.- В c6i: Вопросы атомной науки и-

техники. Серия: Физина высоких энергий, Харьков,Изд-до, ХФТИ АН УССР, 1972, вып.I, с.22-23.

20.Гришаев И .А.,.- Ефимов В.П.,..., Коваленко Г.Д. и др. Когерентное тормоэное излучение позитронов и элеятронов;на кристалле кремния.- Труды Ш Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с монокристаллами. 1!., Изд-во МГУ, 1972, с.208-213. - - -

21.Бочек ГЛ., Витьио В.И.,..., Коваленко Г.Д. и др. Использование особенностей взаимодействия элентронов и позитронов с монокристаллами для управления параметрами,пучков частиц высоних энергий.- Труды X международной-¡конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергйй.пр0твино, ИФВа, июль 1977, т.2, сг.133-140.

22.БоченГ.Л.,Гришаев И.А.»Калашников Н.П.,Коваленко Tt®;-,-Мороховский В.Л. Некоторое эффекты когерентного-торыйэнвго излучения электронов и позитронов на кристаллах:кремния и ниобия.- Труды У Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряжеиных частиц с ыононристаллши. М.,Изд-во МРУ, 1974,-с.2-89-298. ' - • -

23.Бочек-ГЛ., Гришаев И.А., Калашников Н.П., Коваленко Г.Д., Мороховский В.Л., Фисун А.Н. Когерентное тормозное излучение элентронов и позитронов на кристаллах кремния и ниобия.-2ЭТФ, 1974,-67, к 8, с.808-815. *"

24.Бочен ГЛ., Гришаев И.А., Коваленко Г.Д., Шраменио Б.И.' Влияние эффекта ланалирования на спектр тормозного йзлуче- ; ния позитронов,- Труды У1 Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с монокристаллами. М., Изд-во МГУ, 1975, с.256-262.

25. Бочек Г.Л., Гришэев ИД., Коваленко Г.Д., Кули баба В.И. Спектры тормозного излучения электронов с энергией 1,2 ГзВ в монокристаллах кремния под углом © = 1,7'Ю"^ рад.-Письма в ЖЭТФ, 1980, 32, с.380-383.

26. Гришаев И.Д., Коваленно Г.Д., Мороховский В.Л. и др. Способ получения монохроматических гаша-нввнтов. Авторское свидетельство № 555745, ОИПОТЗ, 1978, № I, С.224.

27. Витько В.И., Коваленко Г.Д. Радиационные потери энергии электронов и позитронов в монокристалле кремния,- Письма в 2ТФ, 1989, 15, в.З, с.56-60.

28. Гришаев И.А., Коваленко Г.Д., Кулибэба в.и. и др. Спентры тормозного излучения электронов и позитронов в кристалле германия при температуре 293 и 77 К.- УФ2, 1979, 24, № 8, C.II88-II9I.

29. Adejshvili D.I., Bochek G.L.,..., Kovalenko G.D. et al. Ionization energy losses of relativistic positrons passing through a silicon single crystal and electro* emis-sioa.- Hadiatioa Effects, 1983, 21> P* 135-189.

30. Адейшвили Д.И., Бочен Г.Л.,..., Коваленно Г.Д. и др. Ионизационные потери энергии релятивистских позитронов в мононристалле кремния.- Физика атомного ядра и элементарных частиц. Материалы конференции по ядерно-физическим исследованиям, посвященной 50-летию осуществления в СССР реэнции расщепления атомного ядра. Харьков, 4-6 онтября 1982 г.

- М., ЦШШАтоминформ, 1983 г., Ч.З, с.52-55.

31. Ключарев А.П., Стрэтиенно В.А., Коваленко Г.Д. и др. О мони-торировании параметров пучков элементарных частиц и гамма-квантов на основе 5"-элентронов.-Метрология,1974,8,с.67-69.

32. Коваленко. Г.Д. Эмиссия вторичных электронов из монокристаллов кремния и ниобия под действием улхтрарелятивистсних электронов.- УФЖ, 1981, 26 К II, с.1839-1843.

33. Гришаев И.А., Коваленко Г.Д., Шраменяо Б.И. Электронная эмиссия иэ монокристалла ниобия, вызванная ультрарелятивистскими электронами,- Письма в ЖГФ, 1979, 5, ft 18, C.II04-II07.

34. Адейшвили Д.И., Бочек Г.Л.,..., Коваленко Г.Д. и др. Деканалирование электронов с энергией 1200 МэВ в ыоно-вристалле кремния,- Письма в ЖЕФ, 1984, 10, te 4, с.197-200.

35. Витько В.И., Коваленко Г.Д. Выход вторичных электронов при взаимодействии ультрарелятивистских электронов и позитронов с монокриствллами.- 1ЭТФ, 1988, 94, № Ißv

с. 321-327. .

36. ^deyshvili D.I., Bochek G.L.,..., Kovalenko G.D. et al. A study of high energy electron motion through nionocrys-tals using secondary electron emission.- Rad.Effects Letters, 1985i §2, p.135-140.

Подписано в печать 18.12.89.БЦ №15859. Формат 60x84/16. Офсетн.печать. Усл. н.л. 2,0. Уч.-изд.л. 2,0. Тираж 100. ЗакЛ256.

Харысов-IÜS, ротапринт. .Ш'И АН УССР—:-:—---

"у мрад

■Рис.1. Распределение частиц, выходящих из нристалла, по углам в вертикальной плоскости : а - угол изгиба 4,5 мрад, б г то яе, что и на рисЛа с дополнительным отбором событий по критериям наналирования; в.- то не, что и на рисЛа, но с отбором событий только для яекзнали-рующих частиц.

ву мрад

т

1

♦ * и*

' * * * ♦ ♦ * Ч

5 « В ¡0 Н £ М}0

Рис.2. Спектр излучения позитронов с энергией 1,2 ГэВ в мононристалле кремния, 0^.= 2.5'Ю"3 рад. © - разориентированный нристалл; нристалл ориентированный осью [п£) вдоль пучка позитронов; (} - кристалл ориентирован осью [ш] вдоль пучка позитронов, ионизационные потери позитронов лежат в диапазоне 0.29-0.36 МэВ;

-- расчётная кривая по теории КТИ для

разориентированного кристалла.

Рис.3. Спентры излучения электронов с энергией 1,2 ГэВ в монокристалле кремния 0«со*. = 2.5"10~^рэд. ф - ось кристалла [ill] совпадает с направлением пучка электронов;

ф - плоскость (ПО) параллельна пучку электронов; О - разориентировэнный кристалл, кривые - расчёт по КТИ.

02 04 06 03

Рис Л. Спентры тормозного излучения

электронов и позитронов на кристалле германия толщиной 165 мкм, 0=0. ф - температура кристалла 77 к, О - температура кристалла 293 К. Нижняя группа точек для позитронов, верхняя - для электронов.

-- - расчёт КТИ для температуры 293 К,

--- - расчёт КТИ для температуры 77 К.

Рис.5. Спектры тормозного излучения

электроноБ и позитронов на кристалле германия толщиной 165 мим, 0 = 10~^рад. — расчёт КТИ для температуры 293 К,

-- расчёт КТИ для температуры 77 К.

Остальные обозначения те не, что и на рис А .

Рис. 6. Ионизационные потери позитронов с энергией 1200 МэВ в монокристалле кремния толщиной 0,16 см. # - разориентированный кристалл; О " кристалл ориентирован осью [Ы1| вдоль пучка позитронов; — - расчёт с учетом наложений и энергетического разрешения детектора.

Рис.7. Зависимость разности выхода высоно-энергетичных элентронов из ориентированного осью [П1| вдоль оси пучка и разориенти-рованного кристалла от его толщины, нормированная на одну падающую частицу ф - электроны, О " позитроны, кривая I а 2 - аппроксимация эксперименталь- , ных точек функцией вида Д = До

Рис.8. То же, что и на рис.7 для плоскости (НО).