Отклонение заряженных частиц изогнутыми монокристаллами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

0. ВВЕДЕНИЕ.

0.1. Некоторые положения теории каналирования

0.2. Деканалирование

0.2.1. Рассеяние на ядрах решетки

0.2.2. Рассеяние на электронах

0.3. Энергетические потери.

0.4. Теория каналирования в изогнутых кристаллах.

0.5. Обзор экспериментов по отклонению заряженных частиц изогнутыми кристаллами

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

1.1. ВВЕДЕНИЕ.

1.2. Описание установки.

1.3. Координатные детекторы.

1.4. Система запуска установки

1.5. Система управления и регистрации данных.

1.6. Гониометрическая система.

1.7. Ориентирование кристаллов

1.8. Кристалл и полупроводниковый детектор

2. ПРОГРАММА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

2.1. ВВЕДЕНИЕ

2.2. Подбор констант для дрейфовых камер.

2.3. Программа для определения констант

2.4. Программа восстановления треков

2.5. Программа обработки лент суммарных данных.

2.6. Подбор коррекций на углы.

2.7. Оцределение точки выхода из режима каналирования

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛШЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

3.1. Осевое каналирование в црямых кристаллах.

3.2. Плоскостное каналирование в црямых кристаллах

3.3. Отклонение траекторий протонов изогнутой плоскостью.

3.4. Деканалирование в изогнутых кристаллах

3.5. Определение длины деканалирования.

3.6. Прохождение протонов через изогнутый кристалл в режиме осевого и плоскостного каналирования.

3.7. Захват в режим каналирования внутри объема изогнутого кристалла.

3.8. Возможные применения явления отклонения траектории заряженных частиц изогнутыми монокристаллами

Прохождение заряженных частиц через монокристалл вдоль его кристаллографических осей или плоскостей отличается от прохождения заряженных частиц через вещество с неупорядоченным расположением атомов. В этом случае взаимодействие падающих частиц с атомами монокристалла нельзя рассматривать как многократное некоррелированное рассеяние на отдельных изолированных центрах, так как существует сильная корреляция между последовательными соударениями, которая радикально меняет характер процессов в монокристалле. Наиболее ярко это отражается в явлении, получившем название эффекта каналирования /МО/.

Для быстрых положительно заряженных частиц, движущихся под малыми углами по отношению к кристаллографическим осям или плоскостям эффект каналирования проявляется в том, что резко уменьшается интенсивность ядерных реакций, вероятность рассеяния на большие углы, а также существенно изменяется характер энергетических потерь и угловое распределение рассеянных частиц по сравнению с аналогичными цроцессами в аморфном веществе.

Перечисленные эффекты обусловлены тем, что траектория частицы, захваченной в режим каналирования,проходит вблизи середины каналов, образованных кристаллографическими осями или плоскостями, и имеет определенную стабильность.

В работе /**/ было показано, что при упругой деформации кристалла, в частности, изгибе до определенного радиуса кривизны, траектория частицы, захваченной в режим каналирования, будет повторять форму изогнутого кристаллографического канала.

В 1979 году на синхрофазотроне ЛВЭ был выполнен экспери

12/ мент ' , в котором впервые удалось отклонить пучок протонов с энергией 8,4 ГэВ при помощи изогнутого монокристалла. Минимальный радиус поворота траектории частицы составлял около 19 см, что соответствует среднему значению поперечного электрического поля, воздействующего на частицу в кристалле, около 10^ В/см. Это эквивалентно магнитному полю с индукцией около 150 Тесла.

Диссертация посвящена экспериментальному подтверждению /II/ гипотезы ' 'о возможности управления траекториями заряженных частиц изогнутыми монокристаллами, а также исследованию эффектов, возникающих при прохождении пучка частиц через изогнутые монокристаллы.

Методические и физические исследования, выполненные при подготовке и проведении эксперимента, опубликованные в работах /12,52,65,66/^ положены в основу настоящей диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Основные выводы диссертации можно сформулировать следующим образом:

1. Предложен, рассчитан и поставлен эксперимент по изучению явления отклонения заряженных частиц изогнутыми монокристаллами.

2. Впервые экспериментально обнаружено явление отклонения заряженных частиц упруго изогнутыми монокристаллами. Минимальный радиус поворота частицы, достигнутый в эксперименте, составил около 19 см, что может быть получено применением магнитного поля с напряженностью около 150 Тесла.

3. Для проведения эксперимента по отклонению протонов с энергией 8,4 ГэВ изогнутыми кристаллами была создана установка, состоящая из сцинтилляционных счетчиков и дрейфовых камер, работающая на линии с ЭВМ.

4. Проработана и испытана конструкция изгибающего устройства, проведены испытания работы детектирующей части кристалла при изгибе образца. Ухудшения разрешения полупроводникового детектора при изгибе до критического по излому радиуса кривизны замечено не было.

5. Создан ряд программ для обработки данных, полученных в эксперименте по отклонению протонов изогнутыми монокристаллами кремния. Проведена статистическая обработка данных, полученных в этом эксперименте.

6. Измерена длина деканалирования протонов с энергией 8,4 ГэВ при прохождении кристаллографической плоскости (III).

7. Изучена возможность отклонения заряженных частиц, проходящих кристалл вдоль изогнутой оси <110>. При отклонении на углы до 4,7 мрад было обнаружено интенсивное выбывание частиц из режима осевого каналирования.

8. Экспериментально обнаружен дополнительный механизм выбывания частиц из режима каналирования, имеющий место при попадании в изогнутую часть кристалла.

9. Получены экспериментальные данные, которые подтверждают возможность захвата частиц в режим каналирования внутри объема изогнутого кристалла.

В заключение автор выражает глубокую благодарность профессору Цыганову Э.Н. за руководство и помощь в работе.

Автор благодарит коллег по совметной работе М.Д.Бавижева, Н.К.Булгакова, А.С.Водопьянова, И.Войтковску, З.Гузика, Н.И.Зимина, И.М.Иванченко, Р.Б.Кадырова, Н.Н.Карпенко, Т.С.Нигманова, В.В.Пальчика, В.Д.Рябцова, И.А.Тяпкина, М.Д.Шафранова, Д.В.Уральского, А.Форвдки, Н.А.Филатову.

Автор благодарит коллег из других лабораторий, принимавших участие в эксперименте Р.А.Карригана (мл.), Т.Туига, С.Кармака, У.М.Гибсона, И.-Дж.Кима, Ч.Р.Сана, И.А.Гришаева, Г.Д.Коваленко, Б.И.Шраменко.

Автор считает приятным долгом выразить признательность за помощь в подготовке эксперимента В.В.Авдейчикову.

Автор глубоко благодарен дирекции ЛВЭ ОИЯИ за внимание к проводимым исследованиям.

Автор благодарит коллективы, обслуживающие ЭВМ СДС-6500 и ЕС-1040 ЛВЭ, за помощь в обработке экспериментальных данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Erginsoy G., Wegner A.E., Gibson W.M. Phys. Rev. Lett., 1964, 13, P.530.

2. Erginsoy G. Phys. Rev. Lett., 1965, 15, р.ЗбО.

3. Almen 0., Bruce G. Nucl. Instr. and Meth., 1961, 11, p.279.

4. Тулинов. А.Ф. ДАН СССР,-1965, т.162, с.546.

5. Lervig Ph., Lindhard J,, Nielsen D. lucl Phys. ser. A, 1967, v.96, p.461.

6. Picraux S.T., Andersen J.U. Phys. Rev., 1968, 186, p.267.

7. Тулинов А.Ф. УФН, 1965, т.87, c.585.

8. Линдхард И. УФН, 1969, т.99, с.249.

9. Gemmel D.S. Rev. of Mod. Phys., 1974, 46, p.129.

10. Кумахов M.A., Ширмер Г. Атомные столкновения в кристаллах, М., 1980.

11. Tsyganov Е.Ш. Permilab Ш-682, Ш-684, Batavia, 1976.

12. Водопьянов А.С. и др. Письма в ЖЭТФ 1979, т.30, с.474.

13. Appleton B.R. et. al. Phys. Rev., 1967, 161, p.330.

14. Kumahov M.A. Phys. Lett., ser. A, 1970, 33, p.133.

15. Eo tic et. al. Uuovo Cim. Lett., ser. A, 1970, 4, p.707.

16. Behrih R. et. al. Phys. Lett., ser. A, 1971, 35, 181.

17. Behrih R. et. al. Phys. Stat. Sol., 1969, 33, 375.

18. Morita K. et. al. J,Phys. Soc. Jap., 1971, 30, p.1436.

19. Beloshitsky V.V., Kumahov M.A., Muralev V.A. Rad. Eff., 1972, 13, p.9.

20. Белошитский B.B., Кумахов M.A. ЖЭТФ 1972, 62, c.1144.

21. Bonderup E., Esbensen H. et, al. Rad. Eff., 1972, 12, p.261.

22. Campisano S.U. et. al. Rad. Eff., 1972, 13, p.157.

23. Bjorkoust K. et. al. Rad. Eff., 1972, 12, p.267.

24. Pish 0., Golovchenko J. A. et. al. Phys. Lett., 1975, 57b, p.90.

25. Esbensen H., Pish 0. et. al. Nusl. Phys.,ser.B, 1977, 127, p.281.

26. Esbensen H. et. al. Phys, Lett., 1978, 72b, p.408.

27. Esbensen H. et. al. Phys. Rev.,ser.B, 1978, 18, p.1039.

28. Andersen S.V. et. al. Fuel. Phys., ser.B, 1978, 144, p.1.

29. Andersen S.V., Pish 0. et. al. Nucl. Phys., ser.B, 1980, 167, p.1.

30. Pish 0. et. al. Phys. Rev. Lett., 1976, 36, p.1245.

31. Carrigan R.A. et. al. Nucl. Phys., ser.B, 1980, 163, p.1.

32. Sun C.R. et. al. Uucl. Phys., ser.B, 1982, 203, p.40.

33. Каплин В.В., Воробьев С.А. Письма ЖТФ, 1978, 4, 196.

34. Taratin A.M. et. al. Phys. Lett., ser.A, 1978, 67, p.135.

35. Барышевский B.H. и др. Тезисы 9-й конференции по взаимодействию заряженных частиц с кристаллами, 1978, с.105.

36. Феранчук П.Д. ЖТФ, 1981, 51, с.270.

37. Карамян С.А. Препринт ОИЯИ, PI4-I232I, 1979.

38. Таратин A.M., Воробьев С.А. ЖТФ, 1981, 51, с.228.

39. Kaplin V.V. et. al. Phys. Lett., ser.A, 1978, 67, p.135.

40. Taratin A.M., Pilimonov Yu. M. et.al. Phys. Stat. Sol, ser.B, 1980, 100, p.273.

41. Taratin A.M., Yorobiev S.A. Phys. Stat. Sol, ser.B, 1981, 107, p.521.

42. Белошитский В.В., Кумахов М.А. Доклады АН СССР, 212, £ 4-6, 1973, с.846.

43. Ellison J.A., Picraux S.T. Phys. Lett., ser.A, 1979, 83, p.271.

44. Ellison J.Л. Uucl, Phys., ser.B, 1982, p.205.

45. Kudo H. Fuel, Instr. Metli., 1981, 189, p.609.

46. Ellison J.A. Phys. Rev., ser.B., 1978, 18, p.5948.

47. Ellison J.A,, Picraux S.T, Phys, Rev., ser.B, 1978, 18, p.1028.

48. Bak J. et. al. Phys, Lett., ser.B, 1980, 93, p.505.

49. Андреев В.А. и др. Препринт ЛЙЯФ, 1982, 792.

50. Андреев В.А., Дамаскинский Е.А. и др. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Общая и ядерная физика, вып.4, 1981, 18, 96.

51. Baker S.I., Oarrigan R.A. et. al, Phys. Lett,, ser.B, 1983, 12, p.129.

52. Водопьянов А.С., Говорун H.H. и др. Препринт ОИЯИ, PI3-80-225, 1980.

53. Avdeichikov V.V, Hucl, Instr. Method,, 1978, 138, p.381,

54. Avdeichikov V.V. et. al. Nucl. Instr, Method,, 1976, 133, p.3781,

55. Avdeichikov V.V. et. al. Uucl. Instr. Method., 1978, 138,p.381.

56. Technical manuel, GAMAG model 2228, West Nyack, Hew-York, 1974.

57. Nigmanov T.S, et, al. Permilab Report, Pennilab-76/26-EHP, 1976,

58. Filatova N.A. et. al. Nucl. Instr, Meth, 1977, 143, p.17.

59. Водопьянов A.C. и др. Препринт 0ИЯИ, PI-83-I2, 1983.

60. Адылов Г.Т. и др. Сообщение ОИШ, I-80II, Дубна, 1974.

61. Адылов Г.Т. и др. Сообщение ОИЯИ, I-80I2, Дубна, 1974.

62. Адылов Г.Т. и др. Сообщение ОИЯИ, I-825I, Дубна, 1974.

63. Зоммерфельд А. Механика деформированных сред, М., 1975.

64. Стрелков С.П. Механика, М., 1975.

65. Булгаков Н.К. и др. Сообщение ОШЭД, 1-83-725, 1983.

66. Булгаков Н.К. и др. Сообщение ОИЯИ, 1-83-726, 1983.

67. Sun C.R. et. al. Contribution to the "10-th Intern. Conf. on Atomic collision in solids, Bad Iburg, Germany, 1983.

68. Барышевский В.Г. Письма в STФ, 1979, 5, 182.

69. Любошиц В.Л. ЯФ, 1980, т.31, 986.

70. Михалев В.Л., Рзаев Р.А. Препринт ИФВЭ, 81-166, 1981.71. ¡Шалев В.Л. Препринт ИФВЭ, 83-29, 1983.

71. Garrigan R.A. (JR), Fermilab 80/45-ЕХР, Batavia, 1980.

72. Carrigan R.A., JR et. al. Hud. Instr. Keth., 1982, 194, p.205.

73. Carrigan R.A., JR., Phys. Rev. Lett., 1982, 35, p.206.

74. Кошкарев Г.Д. Препринт ИТЭФ, № 30, 1977.