Влияние структуры твердого тела на свойства поляризационного тормозного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОЛЯРИЗАЦИОННОЕ ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В НЕУПОРЯДОЧЕННОЙ

КОНДЕНСИРОВАННОЙ СРЕДЕ.

1Л. Амплитуда излучения релятивистской заряженной частицы в конденсированной среде.

1.2. Интерференционные эффекты в поляризационном тормозном излучении релятивистской частицы в плотной аморфной среде.

1.3. Поляризационное тормозное излучение релятивистских электронов в поликристалле

1.4. Поляризационное тормозное излучение релятивистских электронов в мелкозернистой среде. излучении.ри

2.3. О влиянии размера коллиматора на спектр параметрического излучения.

Одним из важных направлений современной физики, получивших широкое распространение в последнее время, являются исследования процессов взаимодействия быстрых заряженных частиц с веществом, в частности, излучения релятивистских частиц в конденсированных средах. Были предсказаны теоретически и обнаружены экспериментально различные фундаментальные механизмы излучения заряженных частиц в среде: тормозное излучение [1-4], переходное излучение [5-8], черенковское излучение [9-12], а также модификации указанных механизмов, обусловленные упорядоченным расположением атомов в кристаллах, или макроскопической периодической неоднородностью плотности среды: резонансное переходное излучение релятивистских электронов в слоистых средах [7,13-15], когерентное тормозное излучение [13,16-18], параметрическое рентгеновское излучение быстрых частиц в кристаллах [19-24].

Особый интерес представляет новый механизм излучения быстрых заряженных частиц, реализующийся в процессе столкновения налетающей частицы с атомом среды и обусловленный рассеянием кулоновского поля быстрой частицы атомными электронами. Это излучение, получившее название поляризационное тормозное излучение (ПТИ) [25], с одной стороны позволяет генерировать рентгеновские кванты для различных приложений, с другой стороны на основе этого излучения может быть создан эффективный метод исследования структуры вещества, поскольку характеристики ПТИ существенно зависят от взаимного расположения атомов вещества. Основные усилия в исследованиях ПТИ до последнего времени были направлены на выяснение характеристик излучения, возникающего в процессе столкновения налетающей частицы с изолированным атомом (см. [25,26] и приведенную там литературу). В тоже время ПТИ оказывается микроскопической основой многих механизмов излучения быстрых частиц в среде (в первую очередь это относится к рентгеновскому излучению, возникающему вследствие рассеяния равновесного электромагнитного поля частицы электронами среды), поэтому выявление связи ПТИ с переходным, резонансным переходным, параметрическим механизмами излучения позволяет глубже понять природу отмеченных и других механизмов генерации излучения быстрой частицы в конденсированных средах.

Настоящая диссертация посвящена анализу коллективных процессов взаимодействия потоков быстрых частиц с веществом в области больших энергий, когда существенной оказывается интерференция вкладов атомов вещества в выход процессов, а корреляциями между частицами потока можно пренебречь. Основное внимание в проводимых исследованиях уделяется анализу характеристик поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в конденсированной среде. Основаниями для выбора указанной темы исследований являются несколько обстоятельств. Прежде всего следует выделить уже отмеченный выше пробел в теории ПТИ, заключающийся в отсутствии всестороннего описания коллективных эффектов в данном процессе излучения, реализующимся в конденсированной среде. Далее, уже первые экспериментальные исследования ПТИ релятивистских электронов в твердых телах привели к неожиданным результатам [27-30], не укладывающимся в рамки обычной теории ПТИ на изолированном атоме. Для объяснения этих результатов необходим учет междуатомных корреляций в среде. Наконец, развитие эксперимента в области когерентного ПТИ в кристалле (параметрического рентгеновского излучения, или ПРИ) позволило выявить эффекты, не описываемые обычной кинематической теорией ПРИ. Поэтому необходим анализ ПРИ на основе более общего подхода, основанного на динамической теории дифракции рентгеновских лучей в кристаллах [31].

Такая теория развивалась уже на протяжении 30 лет (см. например [21,22]), однако, вследствие громоздкости выражений для сечения излучения, последние анализировались как правило в пределе толстого кристалла, что приводило к потере в асимптотических формулах вклада дифрагированного переходного излучения [32]. Здесь же следует отметить не прекращающуюся дискуссию о природе ПРИ, как квазичеренковского механизма излучения, или механизма переходного рассеяния.

Исследование отмеченных, а также некоторых других вопросов физики когерентных механизмов рентгеновского и гамма излучения релятивистских электронов в полностью, или частично упорядоченных средах и является целью настоящей диссертационной работы. На защиту выносятся следующие положения:

1. Теория поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в мелкозернистой среде. На основе этой теории выявлен эффект резкого смещения спектра излучения в сторону малых частот, обусловленный коллективным характером вклада атомов среды в выход излучения. Данный эффект позволяет объяснить обнаруженные экспериментально аномалии в спектре ПТИ релятивистских электронов в пленке алмазоподобного углерода.

2. Теория ПТИ релятивистских электронов в поликристалле. На основе этой теории показано существование острых рефлексов когерентного ПТИ, энергия которых определяется углом наблюдения излучения. Результаты выполненного в рамках развитой теории расчета характеристик ПТИ релятивистских электронов в поликристаллическом алюминии хорошо согласуются с данными проведенного эксперимента.

3. Динамическая теория параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов в кристалле, позволяющая корректно описать вклад дифрагированного переходного излучения в асимптотическом пределе «толстого» непоглощающего кристалла. На основе этой теории дано объяснение аномально узкого углового распределения ПРИ, обнаруженного экспериментально.

4. Модель источника квазимонохроматического перестраиваемого рентгеновского излучения, основанного на ПРИ релятивистских электронов в периодической слоистой структуре. На основе этой модели показана возможность достижения интенсивности излучения, на порядки превышающей интенсивность ПРИ в обычных кристаллах.

5. Модель генерации линейно поляризованных гамма-квантов на основе механизма КТИ типа Б релятивистских электронов, излучающих в режиме некоррелированных столкновений с атомными цепочками кристалла в условиях внеосевой коллимации излучения. На основе этой модели показана возможность существенного увеличения степени линейной поляризации излучаемых фотонов.

Результаты настоящей диссертации апробированы на 5 и 7 русско-японских симпозиумах по взаимодействию заряженных частиц с твердым телом ( Белгород 1996, Нижний Новгород 2000), на 27, 29 и 30 Международных конференциях по физике взаимодействия быстрых заряженных частиц с кристаллами (Москва 1997, 1999, 2000), на 7 конференции стран СНГ по проблемам радиационной повреждаемости конструкционных материалов (Белгород 1997) и опубликованы в работах [33-38, 52-58, 66-68].

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы.

ВЫВОДЫ

Полученные в настоящей главе диссертации результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

- Режим некоррелированных последовательных столкновений с атомными цепочками движущихся в кристалле релятивистских электронов, реализующийся в области углов ориентации скорости излучающих частиц относительно оси цепочек порядка критического угла осевого каналирования, позволяет получать интенсивные потоки линейно поляризованных гамма-квантов в области малых энергий, в которой длина формирования излучения превышает эффективную длину взаимодействия электрона с цепочкой ;

- Обращение в нуль градиента усредненного потенциала атомной цепочки на ее оси вследствие тепловых смещений атомов приводит к нетривиальному эффекту изменения направления поляризации когерентного излучения с ростом энергии кванта, когда становится существенным локальное, а не среднее ускорение излучающего электрона в усредненном потенциале цепочки;

- Существенное увеличение степени линейной поляризации когерентного излучения может быть достигнуто за счет внеосевой коллимации фотонного пучка, однако при этом падает интенсивность излучения;

- Режим некоррелированных столкновений оказывается весьма подходящим для генерации квазимонохроматических линейно поляризованных квантов с энергией порядка энергии излучающего электрона на основе механизма КТИ типа Б, поскольку при этом вклад в излучение вносит максимально возможное число векторов обратной решетки кристалла. Увеличение степени линейной поляризации может быть достигнуто при внеосевой коллимации фотонов, поскольку в этих условиях положительный вклад в выход поляризованного излучения вносит и некогерентное рассеяние электрона в поле цепочки атомов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты проведенных в настоящей диссертации исследований.

1. На основе микроскопического подхода выведено общее выражение для спектрально-углового распределения поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в конденсированной среде с произвольной структурой расположения атомов. Полученная формула учитывает как индивидуальный, так и коллективный вклад электронов среды в выход излучения, а также позволяет учесть как поляризационный тормозной, так и тормозной механизмы излучения и интерференцию между ними.

2. Развита теория поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в мелкозернистой среде. На основе этой теории выявлен эффект резкого смещения спектра излучения в сторону малых частот, обусловленный коллективным характером вклада атомов среды в выход излучения. Данный эффект позволяет объяснить обнаруженные экспериментально аномалии в спектре ПТИ релятивистских электронов в пленке алмазоподобного углерода.

3. Развита теория ПТИ релятивистских электронов в поликристалле. На основе этой теории показано существование острых рефлексов когерентного ПТИ, энергия которых определяется углом наблюдения излучения. Результаты выполненного в рамках развитой теории расчета характеристик ПТИ релятивистских электронов в поликристаллическом алюминии хорошо согласуются с данными проведенного эксперимента.

4. Выяснена природа параметрического рентгеновского излучения быстрых заряженных частиц. Показано, что энергия ПРИ в направлении брэгговского рассеяния переносится быстрыми волнами, которые не могут быть возбуждены в рамках черенковского механизма излучения. С другой стороны, ПРИ в направлении скорости излучающей частицы реализуется, как показано в работе, медленными волнами, которые могут быть возбуждены, благодаря черенковскому механизму.

5. Развита динамическая теория параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов в кристалле, позволяющая корректно описать вклад дифрагированного переходного излучения в асимптотическом пределе «толстого» непоглощающего кристалла. На основе этой теории дано объяснение аномально узкого углового распределения ПРИ, обнаруженного экспериментально.

6. Исследовано влияние формы и размеров фотонного коллиматора на ориентационную зависимость основных характеристик параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов в кристалле. Показано, что с ростом углового размера коллиматора обсуждаемая зависимость может претерпевать качественные изменения. В частности, увеличение средней частоты излучаемых квантов с ростом ориентационного угла в случае узкого коллиматора сменяется ее уменьшением.

7. Разработана модель источника квазимонохроматического перестраиваемого рентгеновского излучения, основанного на ПРИ релятивистских электронов в периодической слоистой структуре. На основе этой модели показана возможность достижения интенсивности излучения, на порядки превышающей интенсивность ПРИ в обычных кристаллах.

8. Развита теория когерентной генерации линейно поляризованных гамма-квантов релятивистскими электронами, движущимися в

1. Bethe H. and Heitier W. On stopping of fast particles and on creation of positive electrons. // Proc. Roy. Soc. -1934. V. 146. - P. 83 - 85.

2. Bethe H. The screening influence on the creation of electrons. //Proc. Cambridge Philos. -1934. V. 30. - P. 524 - 535.

3. Зоммерфельд А. Строение атома и спектры.- M.: Изд-во ИЛ, 1957. -694с.

4. Sauter F. Uber die Bremsstrahlung schneller Electronen // Ann. Phys. -1934.- V. 20. -P. 404-412.

5. Гинзбург В.JT., Франк И.М. Излучение равномерно движущегося электрона, возникающее при его переходе из одной среды в другую. //J. Phys.USSR. 1945. - V. 9. - Р. 353-357.

6. Гарибян Г.М. К теории переходного излучения // ЖЭТФ. 1957. - Т.ЗЗ.- Вып. 6(12).- С.1403 1410.

7. Гарибян Г.М., Ян Ши Рентгеновское переходное излучение. Ереван: Изд. АН Арм. ССР, 1983,- 320 с.

8. Пафомов В.Е. Излучение заряженной частицы при наличии границ раздела. // Труды Ордена Ленина Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР. 1969. - Т. 44 . - С.28 - 167.

9. Тамм И.Е., Франк И.М. Когерентное излучение быстрого электрона в среде.//ДАН СССР. 1937,- Т.14. - Вып.1. - С.107-112.

10. Тер-Микаэлян М.Л. Влияние среды на электромагнитные процессы при высоких энергиях.-Ереван: Изд. АН Арм.ССР, 1969.- 460с.

11. Гарибян Г.М. Излучение заряженной частицы, пролетающей через слоистую среду. //ЖЭТФ. 1958. - Т.35. - Вып. 6 (12). - С. 1435 - 1439.

12. Тер-Микаэлян М.Л., Гавазян А.Д. Резонансные эффекты при излучении в слоистой среде. //ЖЭТФ. 1960. - Т.39. - Вып.6(12). - С. 1693-1698.

13. Uberall Н. High energy interference effect of bremsstrahlung and pair production in crystals. //Phys. Rev. 1956. - V. 1036. - P. 1055-1067.

14. Uberall H.Polarization of bremsstrahlung from monocrystalline targets. // Phys.Rev. 1957. - V.107. - P.223-227.

15. Diambrini-Palazzi G. High energy Bremsstrahlung and electron-positron pair production in thin crystal. //Rev. Mod. Phys. 1968. - Y.40. -P.611-631.

16. Гарибян Г.М., Ян Ши Квантовая микроскопическая теория излучения равномерно движущейся заряженной частицы в кристалле. // ЖЭТФ. -1971. -Т.61. Вып.9. - С. 930-943.

17. Барышевский В.Г.,Феранчук И.Д. О переходном излучении гамма-квантов в кристалле. //ЖЭТФ. 1971. - Т.61. - Вып.9. - С.944 -948.

18. Baryshevsky V., Feranchuk I. Parametric x-ray from ultrarelativistic electrons in crystal. // J. Physique. 1983. - V.44. - P.913-933.

19. Caticha A. Quantum theory of the dynamical Cherenkov emission of x-ray. // Phys.Rev.B. 1992. - V.45. - P.9541-9551.

20. Dialetis D. Generation of Coherent X-Rays by a Relativistic charged Particle Travelling through a Crystal. // Phys. Rev. 1978. - V. A 17. - P. 1113-1122.

21. Feranchuk I.,Ivashin A. Theoretical investigation of parametric X-ray features. //J Physique. 1985. - V.46. - P. 1981-1986.

22. Амусья М.Я., Буймистров B.M. Зон Б.А., Цытович В.Н. и др. Поляризационное тормозное излучение частиц и атомов М.: Наука, 1987. - 320 с.

23. Амусья М.Я. Тормозное излучение . М.: Энергоатомиздат, 1990. -208 с.

24. Blazhevich S.V., Bochek G.L., Gavrikov V.B. et.al. First observation of interference between parametric x-ray and coherent bremsstrahlung. //Phys. Lett. A. 1994. - V.195. - P. 210-212.

25. Blazhevich S.V., Chepurnov A.S., Grishin V.K. et.al. Suppression of polarization bremsstrahlung of relativistic electrons moving through an amorphous carbon foil. //Phys. Lett. A. 1996. - V. 211. - p. 309-312.

26. Blazhevich S.V., Chepurnov A.S., Grishin V.K. et.al. Polarization bremsstrahlung of relativistic electrons in aluminium. //Phys. Lett. A. -1999,- V.254. P.230-232.

27. Пинскер З.Г. Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в идеальных кристаллах- М.: Наука, 1972.-368с.

28. Caticha A. Transition diffracted radiation and Cherenkov emission of X-rays. // Phys. Rev. A.- 1989.- V.40. - P. 4322-4329.

29. Насонов Н.Н., Насонова В.А., Попов И.Г. Поляризационное тормозное излучение релятивистских электронов в мелкозернистой среде. //Ядерная физика. 2001. - Т. 64. - N 5. - С. 1-5.

30. Байер B.H., Катков B.M., Фадин B.C. Излучение релятивистских электронов. М.: Атомиздат, 1972. - 247 с.

31. Ахиезер А.И., Берестецкий В.Б. Квантовая электродинамика. -М.: Наука, 1981.-432с.

32. Буймистров B.M. Резонансное тормозное излучение и поглощение фотонов. //УФЖ .-1973.-Т.17. С.640-648.

33. Зон Б.А. О тормозном эффекте при столкновениях электронов с атомами. //ЖЭТФ.-1977.-Т.73. С.128-133.

34. Ландау Л.Д., Лифшид Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1980. - 704с.

35. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Физматгиз, 1980. - 424с.

36. Джексон Д. Классическая электродинамика. М.: Мир, 1965. - 230 с.

37. Ферми Э. Ядерная физика. М.: ИЛ, 1951. -216 с.

38. Гинзбург В.Л., Цытович В.Н. Переходное излучение и переходное рассеяние." М.: Наука, 1984. 360 с.

39. Воронов В.П., Насонов H.H., Насонова В.А. О природе параметрического рентгеновского излучения. //Труды VII конференции стран СНГ по проблеме "Радиационная повреждаемость конструкционных материалов".-Белгород: Изд. БГУ.- 1998.- С.218-228.

40. Воронов В.П., Насонов Н.Н., Насонова В.А. Об эффектах динамической дифракции в параметрическом излучении. // Тезисы доклада на XXIX Международной конференции "Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами" Москва, Россия. -31 мая - 2 июня 1999.

41. Воронов В.П., Камышанченко Н.В., Насонов Н.Н., Насонова В.А. Об эффектах динамической дифракции в параметрическом излучении. //Ядерная физика. 2000 . - Т. 63, N 11. - С. 2101 -2104.

42. Воронов В.П., Камышанченко Н.В., Насонов Н.Н., Насонова В.А. О влиянии размера коллиматора на спектр в параметрическом излучении. //Ядерная физика. 2000.- Т. 63., N 11. - С.2105-2108.

43. Афанасьев А.М., Агинян М.А. Излучение ультрарелятивистских частиц при прохождении через идеальные и мозаичные кристаллы. //ЖЭТФ.-1978.- Т.74.- С.570-579.

44. Гинзбург B.JI., Цытович В.Н. О переходном рассеянии. //ЖЭТФ 1973. - Т.65.-С. 1818- 1824.

45. Тер-Микаэлян М.Л. Спектр тормозного излучения в среде. // ДАН СССР. 1954.- Т.94. - Вып.6 - С.1033-1036.

46. Freudenberger J., Genz H., Morokhovskii V., Richter A. //Abstracts Int. Workshop in Radiation Physics with Relativistic Electrons. June 1998. Tabarz, Germany. -P.24-27.

47. Рязанов А.И. Резонансное переходное излучение релятивистских заряженных частиц в упорядоченной системе вакансионных пор. //ЖЭТФ.-1982. Т.82. - Вып. 1. - С.34-49.

48. Nasonov N.N.,Safronov A.G. Polarization bremsstrahlung of fast charged particles in crystals. //Proc.Int.Simposium RREPS 93, Tomsk, Russia, P.242-247.

49. Artru X., Rullhusen P. PXR and Diffracted Transition Radiation of Relativistic Electrons in Perfect and Mozaic Crystals . // Nucl.Inst.Methods Phys. Res.- 1998,-В 145.-P.1-8.

50. Блажевич С.В., Дмитриенко В.Д., Насонов Н.Н., Насонова В.А Когерентное тормозное излучение типа Б в условиях внеосевой коллимации //Ядерная физика. 1997. - Т. 60. - № 6. - С. 1149-1151.

51. Ахиезер A.M., Шульга Н.Ф. Электродинамика высоких энергий в веществе.- М.: Наука, 1993. 344 с.

52. Болотин Ю.Л., Гончар В.Ю.,Трутень В.И., Шульга Н.Ф. Динамический хаос при каналировании. //Тезисы докладов XV Всесоюзн. Совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М.: Изд-во Моск. ун-та, -1985,- С.71.

53. Ахиезер А.И.,Шульга Н.Ф. Излучение быстрых заряженных частиц в кристаллах. //УФН. 1982. - Т.137, N 4. -С. 561-604.

54. Потылицин А.П. Поляризованные фотонные пучки высокой энергии. М.: Атомиздат, 1983. - 214 с.

55. Saenz G., Uberall Н . Coherent bremsstrahlung of relativistic electrons on atomic string. //Phys. Rev. B. 1982. - P. 4418 - 4421.130

56. Saenz G., Uberall H. Coherent Radiation Sources. Springer-Yerlag, 1985, 287p.

57. Потылицын А.П. О возможности получения квазимонохроматических гамма-квантов высокой энергии на основе КТИ типа Б релятивистских электронов в кристалле. // Письма ЖЭТФ 1982. - Т.53. - С. 12 - 15.