Когерентные эффекты при взаимодействии частиц высоких энергий с веществом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Р V Б V)«

9 5 ДО5

¿ и УАРКК

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СЫЩЕНКО Владислав Вячеславович

Когерентные эффекты при взаимодействии частиц высоких энергий с веществом

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель . доктор физико-математических наук Щульга К.Ф.

Харьков - 1995

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Харьковском государственном университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Шульга Николай Федорович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Лазурик Валентин Тимофеевич (ХГУ, г. Харьков)

доктор физико-математических наук ' Созник Александр Петрович (Харьковское высшее военное училще Национальной гвардии Украины, г. Харьков)

Ведущая организация; Институт теоретической физики

им. Н.Н.Боголюбова HAH Украины, г. Киев

i

Защита состоится 1995 года в /У- ОС

часов на заседании специализированного ученого совета Д.02.02.12 при Харьковском государственном университете (310108, Харьков - 108, пр. Курчатова, 31. ауд. 301). С. диссертацией можно ознакомиться в центральной научной библиотеке университета (310077, Харьков-77, пл. Свобода, 4)

Автореферат разослан " " _ 1995 года.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

доктор физико-математических наук .

Н.л.Азареяков

- з -

ООцая характеристика работа.

Актуальность проблемы. На протяжении многих лот исслодовалая эдяктронапштша явлений во взаимодействии частиц высокая энергий с кристаллам привлекает большое внимание теоретиков и экспериментаторов во многих лабораториях мира, такой интерес к 8той области физики обусловлен тем. что ори прохождении частиц высоких энергий через кристалл могут проявляться различные когерентные и интерференционные явления во взаимодействии частиц с атомами решетки, благодаря которым вероятности влектроиапштних процессов в кристаллах могут значительно превосходить соответствуйте вероятности я пморйной среди. Не эти явления было обращено внимание а 50-х годах в роботах Форреття, Тер-Ннкаеляна и Юбералла при изучении излучения релятивистских электронов а ориентированных кристаллах п первом борцовском приближении квантовой элоктродинвги-кв.

В 70-х годах бало обнаружено, что условия применимости Оорновского прибливэния быстро нарушается при увеличении энергия и ушяьявнин углов падешя частиц на кристалл по от-ноиенюо к кристаллографическим осям и плоскостям. Выполненные впоследствии исследования электромагнитных процессов в уедзгяях интенсивного взааяодавствия частиц с кристаллом привели к предсказанию ряда эффектов, указывающих на новые возможности в управлении параметрами пучков частиц высоких энергий и в получения интенсивных, уэконаправленных монохроматических и поляризованных пучков 7-квантоэ. требуошх в ряде областей физика. Анализ процессов азаимолэЯстачя частиц высоких внергей с кристалла« вне области применимости оэр-зовскоя теорий эоомупений, вместе с тем, показал, т:-о ч и

рамхах борновской теории когерентного излучения релятивистских чвотиц в кристалле далеко на все вопросы были исследована. Сущвстеешш при этой оказалось также то, что некоторые закоиоыараооти, такие, например, как приближение непро рыаных цепочек или плоскостей, которые обычно исполъзуютс; пра анализе процессов в условиях интенсивного взаимодействие частиц с решеткой, естественным образом проявляются при рассмотрении аналогична процессов а оорновсках приближениях Это позволяет еиявить обцио закономерности при рассмотреть процессов взвшвдэйствня частиц с кристаллом на основе бор швошх приблшмниа и вне области применимости борновско) теории позыущекий. Этим проблемам посвящена настоящая дис сертациошшя работа.

Цель работы. Целью настоящей работа является исследован» когерэнтнах явлений при рассеянии и излучении частиц высоки: энергий в кристалле с учетом вклада второго борцовского при бЛЕзения квантовой теории возмущений и исследование коге рентных явлений в ионизационных потерях энергии быстра кластеров а вецестве.

В дассортации решается сладущие основные задачи:

1. Исследование механизма когерентного излучения при ультра высоких.энергиях электронов.

2. Развитие метода вычисления вклада в сечения процесса рассеяния к излучения релятивистских частиц во внешне шла второго борцовского прЕбдшлшя и анализ вклада это го приближения в процессы когерентного рассеяния и излу чеша частиц в кристаллах.

3. Оценка пояярнзацга некогореЕтшго излучения релятивист

-•§ -

сма частвц в кристалл*.

к. Мосюдовши ксгврватйых яалениа в процессе воязмвцхоквя потерь эиэргки образутяхся а мтопа жаебхмшрппто-т кластеров, состоя®» кэ даух частиц.

'Шаиггаская и пЬахтичесхая цащюсп и кояиааа растим. В тор« когерентного излучения рвлятявистсюа •лвхтреэвоя а сросталла обычно расаатриввлксь случаи, когда чвстаца давите* сод малш* углом жво к одной мз гигатао упадодовВД гаовшшг крастаыогра#«всюа ос*Я, либо к ото* га швдяЬ такоявшшх втомеий кркста^огря®нМескЕХ плоскостей. Кос«'

рентные вффакти при а тем проявляется при взвмшдэйстяа

* * *

шнстроноа либо с цэпочкаиа втомон кристалла, расположэшшм шраллельно красталлагр&Зичвскоа оса, либо с атомами, обра-¡упгхш параллельные друг другу крясталйогрпфичзскав шеоеда-:та. При улътрааысаюгх энергиях частиц. одаеко, могут бйтъ вдашенц условия, когда одновременно с огмвчяняша шва г^-[эктака зиачмтедыша вклад в излучение сносят крастадлогра-Вакэскт шгаскоста более высоких париков ("слаоив" плошо-гв>. Ксслэдоаасса иэхеказмов когерентного излучокяя реяжтв-Шстооа электронов в кристаллах, в таких условиях проводятся ¡горше. Практическая ценность данного исследования обуежь-:вт возможностью использования излучения частиц в Краста&йэ им создания источников т-излучвння высокой монохроиаягвю-яц, юобходнмих для провадекш! экспэр^кеигов в фазяк* м§-ювтарвдх частиц.

Впервые подучена в оОцйм ваде поправки к сеченая» упруго-X) рассеяная и излучения релятивистских частиц во внвжзах юлах произвольной каи£игургют, сеязышая со кории Оорвкт-

скй». приближением.

Впервые теоретически исследована поляризация нэкогерент-

ного излучения релятивистских частиц в кристалле.

Ионизационные потери энергии высокоэнергетических элек-

тровно-позитронннх пар (эффект Чудакова) и быстрых молекул

в веществе исследовались во многих работах, однако общие

черт и отличительные особенности этих двух явлений рассмот-t

раны впервые. Доказана возможность практического использования эффекта когерентного тормозного излучения электронов ультравысоких.энергий в кристалле для детального исследования. эффекта Чудакова на современных ускорителях.

Апробация результатов работы и-публикации. Материалы диссертации докладывались на Межнациональных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва,

1992, 1993, 1994, 1995, международной конференции 15th International Conference on Atomic Collisions in Solida,

1993, London, Ontario, Canada, на семинарах ННЦ ХФТИ, и опубликованы в 11 печатных работах.

Личный вклад соискателя. Соискателем выполнена основная часть рассчетов. дифференциальных сечений, проведен численный рассчег спектров когерентного излучения электронов в кристаллах, выполнены оценки степени поляризации некогерентного излучения электронов в кристалле, проведен сравнительный анализ аффекта Чудакова и процесса ионизационных. потерь энергии быстрых молекул в веществе.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Разработанная теория упругого рассеяния электродон и по-

змгроной высоких анергий во внешнем поле на малые углы с учетом вклада в сечение рассеяния второго борновского приближения. Вывод о том, что приближение непрерывных цепочек

I

и плоскостей применимо не только для описания процесса кана-лирования частиц в кристалле, но и для описания малоуглового рассеяния на атомных цепочках и плоскостях в Оорновских приближениях.

2. Предсказание появления дополнительного максимума в спектре Когерентного излучения электронов ультравысоких энергий В Кристалле с высокой интенсивностью, монохроматичностью и поляризацией.

3. Разработанная теория тормозного излучения электронов и позитронов во внешнем поле в борцовском приближении с учетом вклада второй борновской поправки .и эффекта отдачи при излучении в сечение процесса.

4. Предсказание существования линейной поляризации прй неко-герэнтном излучении релятивистских электронов и позитронов в кристалле.

5. Результаты исследования общих закономерностей и отличительных особенностей процессов ионизационных потерь энергии высокоэкергетических электронно-позитронных пар и быстрых двухатомных молекул в вещества. Вывод о возмоаности экспериментального исследования эффекта Чудакова на современных ускорителях.

Структура и осьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.. ОбкЩ (ООъем диссертации (включая рисунки и список литературы) составляет 128 страниц машинописного текста. Диссертация со-

дэрххт э рисунков и списох литературы - 97 наименований.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность исследования ставятся цели работы, формулируются основные результаты дне свртацим.

Первая глава посвящена исследованию упругого рассаяни заряженных частиц высоких анергий в веществе с учетом вклад в сечение рассеяния второго борцовского приближения. Основ ное внимание при этом обращается на случав малоуглового рас сеяния частиц в поле совокупности атомов, представляющей со бой кристаллическую решетку. Получено общее выражение дл сечения рассеяния на малые углы а произвольном внешнем пол с учетом вклада, обусловленного вторым борцовским приближе наем. Полученные результаты применены к случаям малоугловол рассеяния электронов и позитронов на периодической цапочк атомов я атомной плоскости. Показано, что в этих случая рассеяние определяется, в основном, непрерывными потенциала ми цепочки я плоскости, соответственно. Подробно расоютре: процесс рассеяния релятивистских частиц на цепочке атома кристалла при падении пучка на цепочку сод малым углом ф ) оси в цепочки. Показано, что сечение рассеяния в этом случа! с учетом вклада второго «орловского приближения определяете! формулой

8*2гвА Не Г в 1

где 1, й - радиус акранировкя потенциала атома, а - расстояние между атомами цепочки, ось у перпендикулярна плоо-

костя (р,г). Формула (1) показывает, что относительный вклад в сечение второй борновской поправки пропорционален квадрату отношения критического угла аксиального каналирования к углу падения частицы на цепочку. Этот вклад в сечение рассеяния быстро растет с уменьшением ф и зависит от знака заряда час-тины. Рассмотрено также рассеяние на непрерывном потенциале атомной плоскости..

Вторая глава посвящена рассмотрении когерентных и интерференционных эффектов в процессе тормозного излучения релятивистских электронов и позитронов в кристалле. Дана классификация когерентных эффектов в излучении частиц в кристаллах.

В разделе 2.3 рассмотрен процесс когерентного излучения в кристалле электронов ультравысовдх энергий (порядка 100 ГзВ) в случае, когда частица движется в кристалле под малым углом ф к одной из кристаллографических осей (оси г) и, кроме того, когда движение происходит под малы« углом 9. к плотно упакованной атомами кристаллографической плоскости. Показано, что основной максимум спектра когерентного, излучения в этом случае расположен в области анергий т-квантов, близкой к энергии самого электрона. Этот максимум обусловлен интерференцией излучения электрона от атомов, ооразувдях. плотно упакованные кристаллографические плоскости. Обнаружено, что при некоторых значениях углов а мевду такой плотно упакованной атомами плоскостью и проекцией импульса электрона на плоскость, перпендикулярную ося г, наряду с этим когерентным максимумом может появляться дополнительный максимум в спектре излучения в области меньших частот. Показано, что величина интенсивности излучения в этом максимуме и поляризация

излучения могут быть сравнимы с интенсивностью и поляризацией излучения в основном максимуме когерентного излучения.

Анализ условий возникновения дополнительного максимума I спектре когерентного излучения показал, что этот максиму» моют быть обнаружен экспериментально на пучках электронов с энергией порядка 100 ГэВ.

В разделе 2.4 получено выражение для сечения тормозного излучения электронов и позитронов во внешнем поле с. учете» вклада второго борновского приближения. Показано, что в пределе малых частот излученных фотонов сечение излучения разбивается на произведение вероятности излучения и сечения упругого рассеяния: ' •

бо = (23

где вероятность излучения

*»<*1\-ЯГ г 2 г - (3)

- компонента Импульса, переданного внешнему Полю, перпендикулярная импульсу начальной частшш, (1а6(£1) - сечение Упругого рассеяния.в соответствующем внешнем поле. В случае произвольных частот такое разбиение невозможно из-за наличия второй Сарновской поправки, если мы интересуемся членами порядка ё"1.

Полученные результаты применены в разделе 2.5 к задача* об излучении•электронов и позитронов в непрерывных потенциала! атомной цепочки й плоскости.

В третьей главе рассматривается поляризация некогерентного тормозного излучения в кристаллах. Появление некогерентной част в излучении заряженных частиц а кристалле обусловлено наличием термодинамических флуктуаций относительно рав-

новесных положений 8томов в кристаллическое решетке. Показано, что учет отклонения траектории частицы в кристалле от прямолинейной приводит к появлении отличной от нуля линейной поляризации некогерентной части излучения. Для случая падения частиц на отдельную атомную плоскость под малым углом в, намного превышающим критический угол плоскостного канвлиро-вакия, когда отклонение траектории частицы от прямолинейной можно считать малым, получена оценка степени поляризации

19=

Р---1 , (4)

за ег

причём поляризация излучения зависит от знака заряда падающих частиц: излучение позитронов поляризовано в плоскости, содержащей атомы среды, а излучение электронов - перпендикулярно этой плоскости.

В разделах 3.3, 3.4 исследована ситуация, когда отклонение траектории частицы й кристалле от прямолинейной нельзя считать малым. Установлено» что для каналйрованных электронов некогерентное излучение на большей части интервала углов падения 0 < 9 < 0О поляризовано в плоскости, содержащей атомы среды, причем степень поляризаций может составлять порядка юг.

Четвёртая глава посвящена вопросам, связанным с ионизаци-знными потерями энергии кластеров заряженных частиц в веществе. Рассмотрены Обвда черты «и. отличительные особенности фоцессов ионизационных потерь энергии образующейся в веществе высокоэнэргетичбской электронно-позитрошюй пары (эф-Сект Чудакова) и распадающейся в веществе быстрой двухатом-юй молекулы. При образовании в веществе высокоэнергетичес-

!

кой алоктронно-позитронной пары оба частицы в течение дли тельного промежутка времени с момента образования пары нахо дятся на близких расстояниях друг от друга. При этом суммар ное электромагнитное поле на больших расстояниях от кластер оказывается меньшим, чем поля отдельных (изолированных) час тиц пары, в результате чего происходит уменьшение ионизаци ошшх потерь энергии кластера» образованного электроном позитроном пары по сравнению со случаем, когда частицы па; разнесены далеко друг от друга. Аналогичный, но обратный э<] факт шее г шсто в случае прохождения через тонкий слой ве щэства быстрой молекулы, состоящей, например, из двух протс коз. В раздела 4.1 также показано, что использование рас смотренного во второй глазе эффекта когерентного тормозног Езлучешя электронов ультравысоких энергий ( ~ 100 ГэВ) ю создавая пучков фотонов высоких энергий с высокой степеш монохроматичности позволяет проводить исследование эффект Чудекова на современных ускорителях.

В раздела 4.3 рассмотрены ионизационные потери энерп "полуголого" (то есть лишенного своего нормального кулоно! ского поля) электрона вблизи точки его образования. Показ! ко, что ионизационные потери энергии рождающейся в вещает] чвсвад быстро достигают своего нормального значения, несм< тря на возмошость длительного существования частицы "ползуголом" состоянии.

В заключении кратко сформулированы основные результата колучваааэ в диссертационной работе.

Основные результаты работы.

1. Получены формулы для сечения упругого рассеяния :

малые углы электронов и позитронов во внешнем, поле, в поле а томно* цепочки и атомной плоскости с учетом второго борцовского приближения. Показано, что учет второй борновской поправки приводит к появлении зависимости сечения рассеяния от знака заряда падащей частицы. Установлено, что при движении частиц в кристалле вблизи кристаллографической оси (плоскости), плотно упакованной атомами, вклад второго борновского приближения в сечение рассеяния быстро растет с уменьшением угла падения на кристаллографическую ось (плоскость).

2. Установлено, что в спектре когерентного излучения электронов ультравысоких энергий в кристалле наряду с максимумами, обусловленными интерференцией излучения, порождаемого взаимодействием с отдельными атомами, отдельными цепочками атомов и плотно упакованными атомами кристаллографическими плоскостями, возможно появление дополнительных пиков с высокой интенсивностью и поляризацией излучения в них. Появление этих пиков обусловлено интерференцией излучения, порождаемого при взаимодействии электронов с кристаллографическими плоскостями более высоких порядков.

3. Получены выражения для сечения тормозного излучения электронов и позитронов в произвольном неоднородном внешнем поле с учетом второго борцовского приближения. Полученные результаты применены к рассмотрению процесса излучения частиц в шлях, создаваемых непрерывными потенциалами атомной цепочки и атомной плоскости.

4. Получены оценки для . поляризации некогерентной части тормозного излучения электронов и позитронов в кристалле при движении под малым углом к одной из кристаллографических плоскостей. Показано, что появление поляризации некогерент-

кого излучения связано с влиянием на некогорентное излучение непрерывного потенциала плоскости.

5. Рассмотрены обще черты и отичительныв особенности аффекта Чудакова и процесса ионизационных потерь энергии быстрых молекул в веществе. Показана возможность исследована эффекта Чудакова на современных ускорителях с использование» эффекта когерентного тормозного излучения электронов в кристаллах для создания пучков фотонов о энергией порядка е , 100 ГэВ.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Щульга Н.Ф., Сщенко В.В. Поляризация некогерентного излучения релятивистских электронов И позитронов в кристалла // ПИСЬМа В 8ЭТФ, - 1991. - Т. 54, * 9. - с. 525-627.

2. Shul'ga N.F.. Syshchenko V.V. Ionization losses of energ of fast clusters being produced during a Coulomb explosion of a molecule and electron-positron pair productloi in matter // Phys. Lett. - 1992. - V. 165A. - p. 175-178

3. Сыденко В.В., Щульга H.fi. 00 ионизационных потерях энергии быстрых кластеров в веществе // Укр.ф1з.журн. - 1993

- т. за, Л 3. - с. 349 - 354.

4. Shul'ga М.Г., Syshchenko V.V., Truten* V.I. lonlzatloi energy losses of clusters formed by Coulomb explosion o: fast molecules and generation of high energy electron positron pairs in matter // Nucl. instr. and Meth

- 1994. - V. 90B. - p. 76 - 79.

5- Shul'ga N.P., Truten' V.I., Syshchenko У.У. Fine struc ture of the coherent radiation spectrum of ultrahlg energy electoms In a ..crystal // ■ Phys. Lett. 1 1994

- V. 327В. - p. 306 - 308.

Сищенхо В.В., Шульга М.Ф. Пружне розс!яввя зарядаених часток високоТ еиерг1I у эопн1шньому пол1 удругому бор-н1вському наОлихенн! // Укр. ф!з. журн. - 1995. - т. 40, J* 1,2. - с. 15 -21.

Сшаенко В.В., Шульга Н.Ф. 0 поляризации некогерентного излучения релятивистских электронов и позитронов в кристалле // Тезисы докл. XXII совещ. по физ. взаимодействия . заряж. частиц с кристаллами. - М., МГУ. - 1992. - с. 50. Сышенко В.В., Шульга Н.Ф. Ионизационные потери энергии, кластеров, образующихся при кулоновском взрыве быстрой колекулы и образовании в веществе высокоэнергетической электронно-позитронной пары // Там же, - с. 32. Цульга Н.Ф.. Трутень В.И., Сыщвнко В.В. Когерентное излу-1внив при ультравысоких энергиях // Тезисы докл. XXIII Дежнац. совещ. по физ. взаимодействия заряж. .частиц с сристаллвми. - М., МГУ. - 1993. - с. 56. Shul'ga N.P., SyshchenXo V.Y., Truten' V.I. Interference Phenomena in Ionization Energy Losses ol Clusters Being Formed In the Process of Coulomb Explosion оI Faat Molecules and of Production of a High Energy Electron -Positron Pairs In Matter // Abstracts of the 15-th-Intern. Conf. on Atomic Collisions In Solids, London, ' Ontario, Canada. 1993. - p. В Ю. Шульга Н.Ф., Трутень В.И., Саденко В.Ё. Тонкая структура спектра когерентного излучения электронов с энергией ~ 100 ГэВ в кристаллах // Тезисы докл. XXIV Межнац. совещ. та физ. взаимодействия заряж. частиц с кристаллами. -МГУ. - 1994. - с. 42.

Ощто В.В. Когерентные эд&жты пра вэашодвйапшй чтпт

шсоШж 'ййрпш с Ëâwcrtœu.

Дгсоэртецай (рукопааъ) на соцсквшэ ученой стмюш кШ/МШш ¡Isâjoco - кгатеыаиггасюа наук по сп®Цйа*ыюс** 0t.04.f6 -Физика ядра и элежштаршх частиц, Харьковский государспаи-

кый ушдаэрси*»*, Харьков, 1995.

Звдшйвтся 11 неучшхраоот, содвряаких теоретические исследования когврантшг z шгер&рёшщоиш шлвий, йраяехамл-№ пра срохогдании частиц шсойих внаргвй через штстаа. Падучэии формул для евче*ша рассеяния м излучаккя влеитро-ша и шзи'фовов в крае«аллах а учегш afpporo ясряогского праблжашя. Предсказана поляризация неког»рентного излучения сысгрык электронов в кристалле.

Sygfcchento V.V. coherent Kïfects During latarastlon of

Easrg^ Particles with Substance.

Competitor's dissertation <Baimscript) aclentiilo grade of candidate of phyolca and шthemstlea speciality 01.04.16 -phyaica oî rtucieua and elementary particles, Kharkov State University, Kharkov, 1995.

11 ecieatlfle papers containing theoretical ' rcsettrthos of coharent ьп! interference phenomena occur Ing in the proccae of passage of high ensrgy psrtlclea through substance are prusanted. The formulas for егоза aections of scattering and radiation of electrons and positrons in crystals taking Into siicouaî the second Born approximation are obtained. The po-

liirisiiïioïi of incoherent mliation of fast electrons la a

i

csstfiel la predicted.

Шзша! елкша: врзжв» рлзсЬошя, гавшовав дашрим!hwiпяди. iosis&uiÊsil ьтраляч вкорг 1 !.