Когерентные электромагнитные процессы, инициированные фотонами, электронами и тяжелыми ионами высоких энергий в ориентированных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

'■-^ум ВАК России |.

■ - - ОТ " 19^г.г № ^/¿ГТ ||

ученую степень ДОКТОРА,! На правах рукописи

Когерентные электромагнитные процессы, инициированные фотонами, электронами и тяжелыми ионами высоких энергий в ориентированных кристаллах

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

/

управления ВАК Р

ПИВОВАРОВ Юрий Леонидович

Томск - 1998 г.

Содержание

Введение ......................................................5

Глава 1. Электромагнитное возбуждение и диссоциация релятивистских ядер при столкновениях с атомами ......13

1.1 Дипольные амплитуды возбуждения при столкновениях релятивистских ядер с потенциалом произвольного вида ......14

1.2 Дипольные сечения возбуждения и спектры виртуальных фотонов ......................................................21

1.3 Электромагнитная диссоциация релятивистских ядер при столкновениях с атомами..................................25

1.4 Электромагнитное возбуждение низколежащих ядерных уровней дипольными переходами при столкновениях с атомами 35

1.5 Сравнительный анализ дипольных и квадрупольных сечений возбуждения релятивистских ядер ........................ 41

Глава 2 . Электромагнитное возбуждение релятивистских ядер в кристаллах ...........................................47

2.1 Критерий появления когерентного эффекта для процесса электромагнитного возбуждения релятивистского ядра в кристалле ..........................................................48

2.2 Поведение сечения возбуждения в кристалле в зависимости от энергии ядра ..............................................51

2.3 Моделирование когерентного возбуждения релятивистских ядер в кристалле (модель бинарных столкновений) .......70

2.4 Моделирование когерентного возбуждения релятивистских ядер в кристалле (мультистринговая модель ) ............79

2.5 Электромагнитное возбуждение каналированных ядер вне резонансных условий: относительное усиление вероятностей дипольных переходов ........................................ 85

2.6 Электромагнитное возбуждение ядер кристалла каналирован-ными протонами и антипротонами ........................92

Глава 3. Электромагнитная диссоциация релятивистских каналированных ядер в кристалле ........................97

3.1 Критерий появления когерентного эффекта для процесса электромагнитной диссоциации ядра в кристалле .............98

3.2 Электромагнитное расщепление дейтрона при осевом канали-ровании в кристалле .....................................100

3.3 Электромагнитная диссоциация ядер 9Ве при плоскостном ка-налировании .............................................107

Глава 4. Когерентное возбуждение ускоренных водородо-подобных ионов в кристаллах ............................114

4.1 Критерий возникновения когерентного эффекта для процесса возбуждения быстрых водородоподобных ионов в криталле 115

4.2 Когерентное возбуждение быстрых ионов схема моделирования и результаты расчетов........................117

4.3 Когерентное возбуждение водородоподобных релятивистских тяжелых ионов в кристалле .............................. 123

Глава 5. Когерентное рождение электрон-позитронных пар и релятивистских атомов позитрония фотонами, электронами и тяжелыми ионами .................................133

5.1 Когерентное рождение типа Б электрон-позитронных пар: эфект коллимации и яркость когерентных пиков.........134

5.2 Влияние эффекта каналирования частиц пары на поведение сечения вблизи когерентных максимумов ................139

5.3 Когерентное фоторождение релятивистских синглетных атомов позитрония в кристалле ..............................143

5.4 Когерентное рождение релятивистских синг летных атомов позитрония релятивистскими электронами в кристалле . .158

5.5 Когерентный эффект для процесса рождения е+е- пары с захватом электрона на К-оболочку релятивистского тяжелого ядра......................................................164

Глава 6. Излучение релятивистских электронов в тонких кристаллах .................................................. 172

6.1 Принципы моделирования характеристик излучения канали-рованных электронов в тонких кристаллах ..............173

6.2 Спектральные и поляризационные характеристики излучения для характерных траекторий ............................177

6.3 Усреднение по траекториям и сравнение с экспериментальными данными ......................................................180

Заключение .................................................188

Литература .................................................193

Введение

Физика взаимодействий быстрых заряженных частиц с ориентированными кристаллами развивалась в последнее время основном в направлениях, которые можно условно разбить на когерентные эффекты, эффекты каналирования и комбинационные эффекты.

Результаты исследований когерентных эффектов, обусловленных квантованием переданного кристаллу импульса, при взаимодействии фотонов и электронов высоких энергий с кристаллическими мишенями, проведенных до конца 60-х годов, изложены в классической монографии Тер-Микаэляна [1]. Различные механизмы когерентного рентгеновского излучения релятивистских электронов в периодических структурах проанализированы в монографии Гари-бяна и Ян Ши [2].

Линдхард [3] ввел понятие о непрерывных потенциалах атомных осей и плоскостей, и развил теорию каналирования, послужившую толчком к интенсивным исследованиям эффекта каналирования быстрых тяжелых заряженных частиц в кристаллах, итоги которых подведены Геммелом [4]. Эффект теней, предсказанный Тулиновым [5] для ядерных реакций в кристаллах, дал новый метод исследования времен жизни возбужденных состояний ядер. Эффект когерентного возбуждения электронных и ядерных уровней быстрых ионов, пролетающих через кристалл, предсказанный Окороковым [6,7] экспериментально исследовался во многих лабораториях мира при нерелятивистских энергиях. Датц и Моак изложили многие результаты этого типично комбинационного эффекта (резонанс, обусловленный совпадением частоты столкновений быстрого иона с периодично расположенными атомами кристалла с частотой перехода между электронными уровнями иона, и одновременно возмущение этих уровней полем оси кристалла, уширяющеее резонанс) в обзоре [8]. Многие вопросы физики каналирования быстрых ионов освещены в монографии Кумахова и Ширмера [9]. Проблемы взаимодействия заряженных частиц с твердыми телами (каналирование электронов и ионов, неупругое рассеяние, зарядовые состояния и кильватерный эффект) рассмотрены в монографии Оцуки [10].

Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов в ориентированных кристаллах, выполненные с конца 70-х годов по настоящее время, привели к ряду чрезвычай-

но интересных открытий, наиболее яркие из которых - излучение при каналирований легких релятивистских частиц, отклонение релятивистских тяжелых частиц изогнутыми кристаллами, вращение спина релятивистских частиц при отклонении изогнутым кристаллом, параметрическое рентгеновское излучение, излучение и рождение электрон-позитронных пар в сильных полях кристаллов при ультрарелятивистских энергиях. Теория этих эффектов достаточно полно отражена в монографиях и обзорах Калашникова [11], Бары-шевского [12], Воробьева [13], Кимбалла и Кью [14], Кумахова [15], Базылева и Жеваго [16], Потылицына [17], Кумахова и Комарова [18], Байера, Каткова и Страховенко [19], Ахиезера и Шульги [20], Рябова [21].

Введение в строй в последние годы новых ускорителей тяжелых ионов с энергией от единиц до сотен ГэВ/нуклон и набором ускоряемых ионов вплоть до урана позволит осуществить новые эксперименты по когерентному возбуждению электронных и ядерных уровней релятивистских тяжелых ионов, электромагнитной диссоциации в условиях каналирования. В то время как когерентное возбуждение электронных уровней быстрых нерелятивистских ионов обнаружено и подробно исследовано [8], когерентное возбуждение ядерных уровней каналированных ионов, возможное при релятивистских энергиях, до сих пор экспериментально не обнаружено. Корректная оценка вероятности этого процесса требует дальнейшего развития теории релятивистского кулоновского возбуждения Винтера-Альдера с целью применения к задачам о когерентном возбуждении ядер в кристалле. Другое перспективное направление -когерентное рождение е+е" пар фотонами, электронами и тяжелыми ионами высоких энергий в кристалле. При рождении пар фотонами или полем релятивистской частицы на атомах кристалла когерентный эффект проявляется в усилении дифференциальных сечений процессов, особенно если в конечном состоянии импульсы рожденных частиц коррелированы, или как в случае рождения атома позитрония совпадают по величине и направлению.Здесь также может возникнуть комбинационный эффект, связанный с влиянием каналирования частиц пары при когерентном рождении. При взаимодействии релятивистских ядер с кристаллами возможно также когерентное образование е+е~ пары с захватом электрона на К-оболочку релятивистского ядра; при этом угловое и энергетическое

распределение образованных позитронов могут иметь особенности, связанные с периодичностью поля кристалла, рождающего пару.

Настоящая диссертация посвящена изложению теории и методов анализа (в том числе компьютерным моделированием) новых когерентных эффектов, воникающих при взаимодействии релятивистских ионов и ядер с кристаллами, при рождении е+е~ пар и атомов позитрония фотонами, электронами и ядрами в кристалле, при излучении релятивистских электронов средних энергий. Необходимость развития специальных методов и алгоритмов анализа данных задач обусловлена невозможностью получения в общем случае аналитических решений.

Целью диссертационной работы является развитие теории и детальный анализ процессов кулоновского возбуждения и диссоциации релятивистских ядер в кристаллах, процессов когерентного возбуждения водородоподобных ионов, процессов когерентного рождения е+е- пар фотонами, электронами и тяжелыми ионами, анализ особенностей спектральных и поляризационных характеристик излучения каналированных электронов, а также сравнение с имеющимися экспериментальными данными и разработка предложений соответствующих экспериментов.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

а) Разработана теория электромагнитного возбуждения и диссоциации релятивистских ядер при столкновениях с произвольным скалярным потенциалом. Показано, что атомное экранирование ядер мишени приводит к возникновению плато в сечении электромагнитного возбуждения релятивистских ядер при кинетической энергии выше определенной пороговой, зависящей от энергии перехода между уровнями релятивистского ядра и радиуса экранирования мишени.

б) Дан анализ особенностей кулоновского возбуждения ядер в ориентированных кристаллах, в том числе когерентного эффекта, и предложен оригинальный подход, опирающийся на моделирование траекторий ядер и последовательное сложение амплитуд возбуждения при столкновениях с атомами мишени. Показано, что при определенных энергиях ядер вероятность кулоновского возбуждения в кристалле может намного превосходить вероятность кулоновского возбуждения в аморфной мишени.

в) При нерезонансных энергиях предсказан эффект подавления

вероятности кулоновского возбуждения каналированных ядер переходами высших мультиполей, обусловленный перераспределением прицельных параметров столкновений в кристалле, и проиллюстрирован расчетами для кулоновского возбуждения уровней 110 кэВ (Е1 переход) и 197 кэВ (Е2 переход) ядра Аналогично, эффект перераспределения потока каналированных протонов (антипротонов) приводит к особенностям кулоновского возбуждения ядер мишени, зависящим от мультипольности перехода.

г) Предложен новый подход к проблеме анализа эффекта когерентного возбуждения быстрых водородоподобных ионов, основанный на моделировании траектории ионов в кристалле и численном решении уравнения Шредингера (двухуровневая схема в резонансном приближении) на найденной траектории. Впервые выполнен анализ особенностей процесса когерентного возбуждения водородоподобных релятивистских тяжелых ионов и показано, что возникающая дублетная форма резонанса обязана тонкой структуре электронных уровней тяжелого водородоподобного иона.

д) Разработана теория когерентного рождения релятивистского атома позитрония (Рв) фотонами в кристалле и показано, что при определенных энергиях фотонов (до нескольких сотен МэВ, если импульс фотона параллелен оси кристалла) сечение рождения Рв в кристалле намного превышает сечение рождения в аморфной мишени. Предложено использовать процесс как альтернативный источнику релятивистских атомов Рв, основанному на атомном распаде релятивистских 7г° мезонов (7Г° 7 + Рв) , обнаруженном в экспериментах группы Неменова в ИФВЭ (Протвино, 1985). Показано, что аналогичное усиление сечения возникает при детектировании е+е- пар при когерентном фоторождении в кристалле в условиях жесткой коллимации частиц пары. В случае рождения е+е~ пар релятивистскими тяжелыми ионами предсказан новый яркий когерентный эффект - линейчатый энергетический спектр позитронов, испущенных под определенным углом, если электрон захватывается на К-оболочку иона .

е) Развит новый подход к проблеме анализа спектральных и поляризационных свойств излучения каналированных электронов средних энергий в тонких кристаллах, основанный на прямом моделировании траекторий и вычислении характеристик излучения по известным формулам классической электродинамики. Показа-

но, как происходит формирование наблюдаемых в экспериментах спектров в результате усреднения по траекториям в кристалле, и проведено сравнение экспериментальными данными, полученными в НИИ ЯФ ТПУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Теория электромагнитного возбуждения и диссоциации релятивистских ядер при столкновении с произвольным скалярным потенциалом. Формулы для электрических дипольных и магнитных дипольных сечений возбуждения, вероятностей возбуждения как функций прицельного параметра столкновений. Результаты численных расчетов сечений возбужения и диссоциации при энергиях до сотен ГэВ/нуклон и возникновение плато в энергетической зависимости сечений при учете атомного экранирования ядер мишени.

2) Теория когерентного электромагнитного возбуждения и диссоциации релятивистских ядер в кристаллах. Возникновение ярких резонансов в вероятности возбуждения ядер при определенных энергиях пучка и исследование формы резонансов с помощью нового подхода - с использованием моделирования траекторий. Специфичная зависимость от энергии пучка сечения когерентной электромагнитной диссоциации релятивистких дейтронов в тонком кристалле и новый метод формирования пучков релятивистских нейтронов.

3) Модель, метод и результаты исследований процесса когерентного возбуждения ускоренных водородоподобных ионов в кристалле - численное решение уравнения Шредингера на полученных моделированием траекториях. Результаты расчетов для быстрых ионов 20дге9+ ПрИ канаЛировании в кристалле сравнение с экспериментом INS(Tokyo). Дублетная форма резонанса, обусловленная тонкой структурой электронных уровней тяжелых ионов и оценка ожидаемой ширины резонанса при когерентном возбуждении релятивистских ионов 57iVz27+ в кристалле Ge - предложение эксперимента для SIS GSI(Darmstadt).

4) Теория когерентного рождения релятивистского синглетного атома Ps фотоном высокой энергии в кристалле. Анализ структуры когерентных пиков в угловых и энергетических распределениях рожденных Ps, сравнение с процессом когерентного электророждения релятивистских Ps. Новый метод формирования пучков синглетных релятивистских Ps с использованием кристаллических мишеней и предложение эксперимента на ускорительном комплексе

REFER (Hiroshima University). Анализ эволюции яркости когерентных пиков для фоторождения в кристалле несвязанных е+е~ пар с уменьшением угла разлета пар и с учетом эффекта каналирования частиц пары. Теория нового эффекта - когерентного рождения е+е~ пар релятивистским тяжелым ионом в кристалле, с захватом электрона на К-оболочку релятивистского ядра.

5) Принципы моделирования процесса гамма-излучения релятивистских электронов в кристалле с использованием модели бинарных столкновений и классической электродинамики и результаты расчетов спектрально-угловых и поляризационных характеристик излучения электронов с энергией до 1 ГэВ в тонких кристаллах. Формирование характеристик излучения усреднением по специфичным траекториям электронов в кристалле, сравнение с экспериментальными данными о спектрах и степени линейной поляризации излучения при плоскостном каналировании.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 167 наименований. Общий объем составляет 205 страниц, включая 41 рисунок и 1 таблицу.

В первой главе разработана теория электромагнитного возбуждения и диссоциации релятивистских ядер в аморфной мишени.