Исследование свойств излучения Вавилова-Черенкова в радиаторах конечной толщины тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ВАВИЯОВА-ЧЕРЕНКОВА

§ I. Краткий обзор исследований излучения Вавилова

Черенкова

§ 2. Теория Тамма-Шранка.

§ 3. Расчёт излучения, возбуждаемого заряженной частицей в радиаторе конечной толщины

§ 4. Расчёт излучения Вавилова-Черенкова с учётом многократного рассеяния частиц в среде

Глава II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА.

§ I. Ускоритель электронов

§ 2. Формирователь импульсов электронов

§ 3. Камера.

§ 4. Оптическая система.

§ 5. Система регистрации излучения

§ 6. Калибровочные измерения.

§ 7. Радиаторы.

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ВАВИЛОВА

ЧЕРЕНКОВА

§ I. Направленность излучения

§ 2. Полуширина угловых распределений

§ 3. Околопороговые явления

§ 4. Выход излучения.

§ 5. Влияние многократного рассеяния частиц в среде на свойства излучения Вавилова-Черенкова

Вопросы генерации излучения при прохождении заряженных частиц через вещество не утрачивают актуальности, как в плане уточнения потерь энергии в среде, так и с точки зрения их эффективной регистрации. Излучение Вавилова-Черенкова ( ИВЧ ) в настоящее время нашло широкое применение в различного рода черенковских счётчиках. Дальнейший прогресс в детектировании ультрарелятивистских частиц связывают главным образом с переходным излучением. ИВЧ, открытое ранее переходного излучения, обнаружило органическую связь с последним, и сейчас, как в теоретических рассмотрениях, так и в экспериментальных исследованиях их зачастую невозможно разделить, как, впрочем, трудно провести чёткую грань между этими двумя видами излучения и тормозным излучением, которое исследовалось задолго до появления теории ИВЧ и переходного излучения.

Тесная связь трёх названных видов излучения очевидна, поскольку все они возникают в результате взаимодействия налетающей заряженной частицы с заряженными структурными элементами среды ( ядрами, атомными электронами ). Характерным же для тормозного излучения является то, что налетающая частица в простейшем случае взаимодействует с изолированными атомами, а возникающее в результате излучение представляет собой сумму независимых эффектов. Именно в силу этого обстоятельства макроскопические характеристики среды не оказывают влияния я) на свойства тормозного излучения. Интенх) В некоторых областях спектра тормозного излучения, когда путь когерентности оказывается больше межатомных расстояний, влияние структуры среды становится существенным, что ещё раз подчёркивает тесную связь между тремя упомянутыми видами излучения. сивность тормозного излучения в основном определяется микроскопическим параметром - зарядом ядра-мишени.

ИВЧ в свою очередь характеризуется сравнительно большими параметрами соударения такими, что в этих взаимодействиях среда выступает, как вцелом незаряженное тело, а частица излучает в результате поляризационного взаимодействия со средой. Существенным моментом такого взаимодействия является осевая симметрия - поперечные импульсы оказываются полностью скомпенсированными и траектория частицы остаётся прямолинейной. Если при этом скорость частицы не изменяется и по абсолютной величине, то путь когерентности для характерного угла оказывается бесконечным. Зта замечательная особенность ИВЧ возникает вследствие того, что скорость частицы превышает фазовую скорость света в среде.

Переходное излучение также характеризуется осевой симметрией взаимодействия налетающей частицы со средой. Формулы переходного излучения описывают и ИВЧ в тех случаях, когда скорость частицы превышает фазовую скорость света в той или другой среде, границу между которыми пересекает заряженная частица. Реальные радиаторы имеют, как правило, две границы, наличие которых существенно сказывается на свойствах излучения.

В настоящей диссертации анализируются свойства ИВЧ, возбуждаемого заряженными частицами в радиаторах конечной толщины. Больше внимания уделено отличию этих свойств от аналогичных характеристик, следующих из теории ИВЧ, в которой рассматривается движение заряда в среде по бесконечной траектррии. Описана серия экспериментов наглядно подтверждающих выводы, следующие из теоретического анализа.

Цель диссертации - исследование свойств ИВЧ в радиаторах ко

- б нечной толщины, которое позволило развить подход, устраняющий некоторую односторонностьв в понимании свойств ИВЧ, фактически сводящую их к предельному случаю движения частицы по бесконечной траектории.

Новизна работы заключается в том, что:

1. Создана экспериментальная установка, характеристики которой открыли новые возможности исследования свойств ИВЧ.

2. С помощью этой установки удалось впервые выполнить: а) исследование формы угловых распределений излучения с длио ной волны 2500, 3000, 4000, и 5000 А с помощью слюдяных радиаторов толщиной 10400, 12400, 25000, 41000 и 77000 А в области энергии электронов, как выше, так и ниже порога ИВЧ; б) исследование отклонения положения максимума в угловых распределениях от характерного угла ИВЧ в зависимости от энергии электронов; в) измерения относительных зависимостей выхода излучения под углом 40° и полного выхода от энергии электронов; г) исследование влияния многократного рассеяния электронов в среде на свойства ИВЧ.

3. Из анализа экспериментальных результатов и сопоставления их с расчётами различных характеристик ИВЧ установлены новые факты: а) отсутствие порога ИВЧ в радиаторах конечной толщины; б) наличие двух характерных скоростей частицы, отличающихся от пороговой, одной из которых условно можно приписать пороговые свойства.

Научная ценность работы заключается в том, что были экспериментально исследованы и подтверждены рассчётами новые свойства ИВЧ, проявляющиеся в радиаторах конечной толщины.

Практическая ценность работы: полученные результаты могут быть использованы при разработке различного рода черенковских счётчиков, а также черенковских излучателей в различных спектральных диапазонах.

В основу диссертации положены результаты работ, опубликованных в виде статей в журналах "Ядерная физика" и "Приборы и техника эксперимента", а также в виде препринтов и сообщений ОШМ.

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. В главе I излагаются теоретические основы МВЧ. Она начинается (§1) кратким обзором исследований, как теоретического так и экспериментального плана, которые в той или иной степени связаны с вопросами излучения зарядов, движущихся в среде на ограниченном участке траектории. В §2 излагается теория Тамма-Франка. Путём решения макроскопических уравнений Максвелла для точечного заряда, движущегося в бесконечной однородной прозрачной среде, исследуются условия возникновения и свойства излучения. В §3 приводятся формулы для расчёта излучения с ограниченной траектории частицы, как в бесконечной среде, так и для более практического случая - пластинки, помещённой в вакуум, когда существенно отражение и преломление света на границах, а также учитывается вклад излучения с участков траектории частицы в вакууме, непосредственно примыкающих к пластинке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Б диссертации исследованы некоторые свойства ИВЧ, обусловленные конечной толщиной радиатора. Подчёркнута непрерывная зависимость свойств ИВЧ от толщины радиатора, точнее от параметра Я. . Показано, что известные свойства ИВЧ такие, как ¿-образная направленность излучения, порог при скорости частицы равной фазовой скорости света в среде, линейная зависимость излучённой энергии от длины траектории частицы, являются предельными т.е. присущими излучению, возбуждаемому зарядом, движущимся по бесконечной траектории в среде.

Некоторые свойства ИВЧ исследованы экспериментально с помощью слюдяных радиаторов различной толщины. Эксперименты проводились на установке, оптическая система которой позволяла разлагать в спектр излучение, возбуждаемое электронами в радиаторе, выделять узкий участок вблизи заданной длины волны в видимом и ультрафиолетовом диапазоне и измерять угловые распределения излучения без перемещения монохроматора.

Сочетание регистрации излучения на уровне счёта отдельных фотонов с временным анализом импульсов, соответствующих зарегистрированным фотонам, позволило отделить катодолюминесценцию от исследуемого излучения, улучшить отношение эффект/фон, реализовать максимальную чувствительность ФЗУ к излучению. Достигнутые характеристики установки позволили непосредственно исследовать форму угловых распределений излучения со спектральным разрешением о около 50 А, возбуждаемого электронами с энергией как выше, так и ниже порога ИВЧ в тонких радиаторах. При этом нашли экспериментальное подтверждение некоторые, известные ранее, особенности ИВЧ а также были обнаружены и получили исчерпывающее объяснение некоторые новые свойства ИВЧ.

Направленность ИВЧ подробно исследовалась с помощью радиаторов, толщина которых сравнима с длиной волны наблюдавшегося излучения. Показано, что угловые распределения имеют значительную ширину обратно пропорциональную параметру ~ . Положение максимума сущеЛ ственно отличается от известной зависимости ( 33 ) или с учётом преломления на границе слюда-вакуум - ( 78 ).

Экспериментально исследованы угловые распределения при энергиях электронов, как выше, так и ниже порога, определяемого условием р^^/п . Наглядно показано, что вблизи порога отсутствуют какие-либо особенности в угловых распределениях. Пороговые свойства можно приписать скорости частицы рг = 1/(п + > ПРИ которой главный дифракционный максимум полностью исчезает. Вблизи такого условного порога существует переходная область, ограниченная значениями /(п ± > в которой главный максимум постепенно уходит за пределы реальных углов наблюдения при уменьшении скорости частицы. При скорости, лежащей внутри диапазона, ограниченного значениями и ]32 , свойства излучения наиболее сильно отличаются от известных свойств ИВЧ.

Экспериментально исследовалась спектральная зависимость полуо ширины угловых распределений ИВЧ в радиаторе толщиной 25000 А. Хотя многократное рассеяние электронов в слюде, а также заметное о поглощение излучения с длиной волны 2500 А существенно искажали дифракционную ширину, всё же тенденция к росту полуширины с уменьшением параметра % экспериментально подтверждена. Расчётные же Л данные показывают хорошее согласие уточнённой формулы ( 83 ) с результатами детальных расчётов угловых распределений по формуле ( 55 ). Указаны пределы применимости формулы ( 83 ), обусловленные выходом главного дифракционного максимума за пределы реальных углов наблюдения.

Характер энергетических зависимостей выхода излучения под углом наблюдения 40°, а также полного выхода для радиатора толщиной о

12400 А, рассчитанных по формуле ( 55 ), во всех деталях подтверждён экспериментальными результатами. Вблизи порога, соответствующего р—уЦ > энергетические зависимости также не обнаруживают каких-либо особенностей, которые указывали бы на наличие порога. Обе зависимости простираются в область энергии электронов ниже пороговой, а интенсивность излучения для пороговой энергии составляет заметную величину по сравнению с максимальной.

Исследование влияния многократного рассеяния электронов на свойства возбуждаемого ими ИВЧ проведено с помощью радиаторов толо щиной 41000 и 77000 А. Экспериментальные угловые распределения хорошо описываются кривыми, рассчитанными по формулам ( 68 ) и ( 69 ), учитывающим рассеяние электронов в радиаторе. Полуширина угловых распределений существенно увеличивается по сравнению с дифракционной, положение максимума заметно отличается от зависимости ( 78 ) степень поляризации излучения снижается под влиянием многократного рассеяния электронов. Хорошее согласие с расчётами компонента излучения, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости наблюдения, указывает на отсутствие вклада в излучение каких-либо других процессов принципиально отличающихся от ИВЧ.

Полученные в диссертации результаты дают детальное представление об условиях генерации и свойствах ИВЧ и могут оказаться полезными для развития его теории, а также различных практических приложений. По-видимому, они должны учитываться при совершенствовании теории энергетических потерь заряженных частиц в среде, а также при расчёте всевозможных черенковских счётчиков и излучателей, предназначенных для работы в различных областях спектра.

Автор благодарен И.М.Франку, уделявшему много внимания на всех этапах работы, А.А.Богдзелю и Е.Рутковски за помощь в подготовке экспериментов, В.П.Зрелову, Я.1)укичке и С.Михаляку за полезные дискуссии по ряду вопросов.

1. Франк И.М. Излучение электронов, движущихся в веществе со сверхсветовой скоростью. - Усп. физ. наук, 1946, т. 30, вып. 3-4, с. 149 - 183.

2. Франк И.М. О когерентном излучении быстрого электрона в среде. В сб.: Проблемы теоретической физики. М., 1972, с. 350 -378.

3. Франк И.М. Развитие представлений о природе излучения Вавило-ва-Черенкова. Усп. физ. наук, 1984, т. 143, вып. I, с. III -127.

4. Черенков П.А. Излучение частиц сверхсветовой скорости и некоторые применения этого излучения в экспериментальной физике.-Усп. физ. наук, 1959, т. 68, вып. 3, с. 377 386.

5. Тамм И.Е. Общие свойства излучения, испускаемого системами, двшадимися со сверхсветовыми скоростями, и некоторые приложения к физике плазмы. Усп. физ. наук, 1959, т. 68, вып. 3, с. 387 - 397.

6. Франк И.М. Оптика источников света, движущихся в преломляющих средах. Усп. физ. наук, 1959, т. 68, вып. 3, с. 397 - 415.

7. Джелли Дж.В. Излучение Черенкова. Усп. физ. наук, 1956, т. 58, вып. 2, с. 231 - 283.

8. Джелли Дж.В. Черенковское излучение и его применения. М.: Изд. иностр. лит., 1960. - 334 е., ил.

9. Зрелов В.П. Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергий. М.: Атомиздат, 1968, т. I, - 274 с.

10. Болотовский Б.М. Теория эффекта Вавилова-Черенкова. Усп. физ. наук, 1957, т. 62, вып. 3, с. 201 - 246.

11. Тер-Микаелян М.А. Влияние среды на электромагнитные процессы при высоких энергиях. Ереван: Изд. АН Арм. ССР, 1969. - 457 е., ил.

12. Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика. 2-е изд. перераб. - М.: Наука, 1981. - 503 е., ил.

13. Гарибян Г.М., Ян Ши. Рентгеновское переходное излучение. -Ереван: Изд. АН Арм.ССР, 1983. 320 е.,ил.

14. Черенков П.А. Видимое свечение чистых жидкостей под действием у- радиации. Докл. АН СССР, 1934, т. 2, № 8, с. 451 - 454.

15. Вавилов С.И. 0 возможных причинах синего у- свечения жидкостей. Докл. АН СССР, 1934, т. 2, № 8, с. 457 - 461.

16. Вавилов С.И. Видимое свечение,вызываемое гамма-лучами. -Фронт науки и техники, 1935, № 3, с. 130 132.

17. Черенков П.А. Влияние магнитного поля на видимое свечение жидкостей, вызываемое гамма-лучами. Докл. АН СССР, 1936, т. 3, № 9, с. 413 - 416.

18. Тамм И.Е.,Франк И.М. Когерентное излучение быстрого электрона в среде. Докл. АН СССР, 1937, т. 14, № 3, с. 107 - ИЗ.

19. Черенков П.А. Спектр свечения, вызываемого быстрыми электронами. Докл. АН СССР, 1938, т. 20, № 9 с. 653 - 656.

20. Черенков П.А. Абсолютный выход свечения, вызываемого электронами, движущимися в среде со сверхсветовой скоростью. -Докл. АН СССР, 1938, т. 21, № 3, с. 117 122.

21. Черенков П.А. Пространственное распределение видимого излучения, вызываемого быстрыми электронами. Докл. АН СССР, 1938, т. 21, № 7, с. 323 - 325.

22. Collins G.B., Reiling V.G. Cerenkov Radiation.- Phys.Rev., 1938, v.54, No. 7, p.499-503.

23. Tanrn Ig. Radiation emitted by uniformly moving electrons.- J.Phys. USSR, 1939, v.l, p.439-461.

24. Wykoff H.O., Henderson J.E. The spatial Asymmetry of Cerenkov Radiation as a Function of Electron Energy.- Phys.Rev., 1943, v.64, Nos. 1-2, p.1-6.

25. Harding J.M., Henderson J.E. Properties of Cerenkov Radiation Near the Treshold.- Phys.Rev., 1948, v.74, No.10, p.1560-1561.

26. Гинзбург Б.Л., Франк И.M. Излучение равномерно движущегося электрона,возникающее при его переходе из одной среды в другую. Ж. эксперим. и теор. физ., 1946, т. 16, вып. I, с. 15 - 28.

27. Дафомов В.Е. Излучение электрона,пролетающего через пластинку. Ж. эксперим. и теор. физ.,1957, т. 33, вып. 4(10), с. 1074 - 1075.

28. Гарибян Г.М.,Чаликян Г.А. Излучение заряженной частицы, пролетающей через пластинку. Ж. эксперим. и теор. физ., 1958, т. 35, вып. 5(11), с. 1281 - 1283.

29. Ritchie R.H., Eldridge H.В. Optical Emission from Irradiated Foils.-Phys.Rev., 1962, v.126, No.6, p.1935-1946.

30. Пафомов В.Е. К теории излучения Вавилова-Черенкова в анизотропных средах и при наличии границ. Труды ШАН СССР, 1961, т. 16, с. 94 - 139.

31. Je1ley J.V. Detection of JUL -Mesons and other Fast Charged Particles in Cosmic Radiation, by the Cerenkov Effect in Distilled Water. -The Proceed, of the Phys.Soc., 1951, v.64, part 1, No.373A, p.82-87.

32. Гинзбург В.Л. Об излучении микрорадиоволн и их поглощении в воздухе. Изв. АН СССР, 1947, т. II, № 2, с. 165 - 182.

33. Гинзбург В.Л. Об использовании эффекта Черенкова для генерации радиоволн. Докл. АН СССР, 1947, т. 56, № 3, с. 253 - 269.

34. Darios N. et al. Cerenkov Effect at Microwave Frequencies. Phys. Rev., 1953, v.92, No.3, p.828-829

35. Брандт A.A. Использование эффекта Вавилова-Черенкова для измерения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков. Вестник МГУ, 1962, серия III, № 4, с. 92.

36. Bhiday M.R., Jennings R.E., Raimus P.I.P.'Mesurement of Electron Beam Energy using a Gas Cerenkov Detector.-Proc.Phys.Soc.,1958, v.72, p.973-980.

37. Jennings R.E., Kalmus P.I.P. A Gas Cerenkov Detector for the Accurate Detemination of Electron Beam Energy. Nucl.Instr.Meth., 1960, v.6, No.2, p.209-212.

38. Headdle D.W.O., Jennings R.E., Parsons A.S.L. Determination of the Refractive Indices of Gases in the Vacuum Ultraviolet. I. The Cerenkov Radiation Method.-Journ.Opt.Soc., 1963, v.53, No.7, p.840-846.

39. Aitken D.K., Jennings R.E., Parsons A.S.L., Walker R.N.F. Transition Radiation in Cerenkov Detectors.- Proc.Phys.Soc., 1963, v.82, p.710-722.

40. Bodek A. et al. Observation of Light Below Cerenkov Theshold in a 1.5 Meter Long Integrating Cerenkov Counter. Zeit.Phys.C, 1983, v. 18, p.289-299.

41. Lawson J.D. On the Radiation between Cerenkov Radiation and Bremstrahlung.-Phil.Mag., 1954, v.45, No.366, p.748-750.

42. Lawson J.D. Cherenkov Radiation, "Physical" and "Unphysical", and its Relation to Radiation from an Accelerated Electron. Am.Journ.Phys., 1965, v.33, p.1002-1005.

43. Ландау Л.Д.,Лифшиц E.M. Электродинамика сплошных сред. М.: Гостехиздат, 1957, - 532 е., ил.

44. Франк И.М. Явление интерференции для радиации Черенкова. -Докл. АН СССР, 1944, т. 42, № 8, с. 354 358.

45. Пафомов В.Е., Франк И.М. Переходное излучение на двух параллельных границах раздела. Ядер, физ., 1967, т. 5, вып. 3, с. 631 - 640.

46. Пафомов В.Е. Излучение заряженной частицы при наличии границ раздела. Труды ШИАН СССР, 1969, т. 64, с. 28 - 167.

47. Dedrik K.G. The Influence of Multiple Scattering on the Angular Width of Cherenkov Radiation. Phys.Rev., 1952, v.82, No.5, p.891-896

48. Кобзев А.П. Установка для исследования переходного излучения.-Дубна, 1977, 16 с. ( Препринт / Объед. ин-т ядер, исслед.:1. Р 13-10585 ).

49. Богдзель А.А.,Кобзев А.П., Рутковски Е. Отделение катодолю-минесценции от переходного излучения по времени высвечивания.-Приборы и техн. экспер., 1975, т. 5, с. 61 63.

50. Tanaka S., Katayama Y. Transition Radiation from NiO, CoO and MnO.-Journ.Phys.Soc.Jap., 1964, v.19, No.l, p.40-45.

51. Кобзев А.П., Михаляк С.,Рутковски Е., Франк И.М. Оптическое излучение, возбуждаемое нерелятивистскими заряженными частицами на поверхности металлов. Ядер, физ., 1972, т. 15, вып. 2, с. 326 - 333.

52. Борн М. Оптика. Харьков - Киев: НТИ Украины, 1937, 312 с.

53. Houstoun R.A. physical Optics. London-Glasgow: Blackie, 1957-300 p.

54. Говоров A.M. и др. Тормозные способности слюды для протонов и d-частиц. Дубна, 1961. - 8 с. ( Препринт / Объед. ин-т ядер, исслед.: Р - 725 ).

55. Кобзев А.Н. К вопросу о направленности излучения Вавилова-Черенкова. Ядер, физ., 1978, т. 27, вып. 5, с. 1256 - 1261.

56. Mather R.L. Cerenköv Radiation from Protons and the Measurement of Proton Velocity and Kinetik Energy. Phys.Rev., 1951, v.84, No.2, p.181-190.

57. Зрелов В.П. Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергий, т. 2. М.: Атомиздат, 1968. 302 с.

58. Кобзев А.П., Франк И.М. Спектральная зависимость полуширины угловых распределений излучения Вавилова-Черенкова. Ядер, физ., 1980, т. 31, вып. 5, с. 1253 - 1258.

59. Кобзев A.1L, Пафомов В.Е., Франк И.М. Угловые распределения излучения Вавилова-Черенкова, возбуждаемого в слюде электронами с энергией 170 250 кэВ. - Ядерная физика, 1979, т. 29, вып. I, с. 122 - 132.

60. Кобзев А.П., Франк И.М. Некоторые особенности излучения Ва-вилова-Черенкова, связанные с конечной толщиной радиатора. -Ядер, физ., 1981, т. 34, вып I ( 7 ), с. 125 133.

61. Зрелов В.П. и др. Расчёты пороговых характеристик излучения Вавилова-Черенкова, испускаемого ультрарелятивистскими частицами в газовом черенковском счётчике. Дубна, 1982.10 с. ( Препринт / Объед. ин-т ядер, исслед.: PI 82 - 784).

62. Bothe W. Handbuch der Physik. XXIV. Berlin, 1927.

63. Nigam B.P., Sundaresan M.K., Ta-You Wu. Theory of Multiple Scattering: Second Born Approximation and Correction to Moliere's Work. Phys. Rev., 1959, V.115, No.3, p.491-502.