Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Изучение процессов взаимодействия быстрых заряженных частиц с веществом имеет не только фундаментальное значение для развития современных методов исследования структуры вещества, но и находит широкое применение при решении прикладных задач в области эксперемента, источников излучения и вторичных час тиц, ускорительной техники, методов обработки и диагностики материалов и т.д.
Физика взаимодействия быстрых частиц и излучения с веществом развивается в двух направлениях. С одной стороны постоянно уточняется описание взаимодействия частиц и фотонов с отдельными атомом. С другой стороны происходит развитие физики процессов коллективного взаимодействия, в которые атомы среды вносят когерентный вклад.
Настоящая диссертация посвящена анализу коллективных процессов взаимодействия быстрых частиц с конденсированным веществом. Необходимость такого анализа обусловлена как отсутствием физической ясности в описании ряда фундаментальных процессов излучения быст-рых частиц в среде (не выяснена роль междуатомных корреляций в процессе поляризационного тормозного излучения (ПТИ) быстрых частиц в конденсированном веществе, имеются противоречия в описании тормозного излучения в тонком слое вещества, а также в описании относительного вклада в когерентное излучение каналированных и надбарьерных электронов, взаимодействующих с атомной цепочкой кристалла, отсутствует единый подход к описанию рентгеновского излучения релятивистских частиц в кристалле, учитывающий интерференцию всех когерентных механизмов излучения и т.д.), так и запросами со стороны важных приложений, таких как создание источника квазнмонохроматического перестраиваемого рентгеновского излучения, источника позитронов для ли-
ценных колландеров, источников линейно и циркулярно поляризованных гамма-квантов для исследовании в области фотоядерной физики и физики элементарных чаепщ. ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является :
развитие теории процессов излучения быстрых заряженных частиц в конденсированном веществе, для которых характерно взаимодействие частицы с совокупностью атомов вещества как с целым;
теоретическое обоснование и инициирование постановки новых эксперементов в области физики излучения быстрых заряженных частиц в конденсированном веществе, а также интерпретация данных проведенных эксперементов;
решение прикладных задач в области создания эффективных источников рентгеновского излучения, а также источников позитронов. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в том, что в ней впервые:
на основе микроскопического подхода исследовано влияние междуатомных корреляций на свойства ПТИ быстрых заряженных частиц в конденсированных средах, предсказан эффект подавления низкочастотной составляющей ПТИ в аморфной среде вследствие корреляций, обусловленных конечностью размера атомов, а также эффект подавления некогерентной составляющей ПТИ в кристалле во всей области спектра, показано.что параметрическое рентгеновское излучение (ПРИ) быстрого заряда в кристалле является когерентной составляющей ПТИ независимо от толщины кристалла и выполнения условия кинемати-ческого приближения;
- предсказан и описан эффект подавления дипольного тормозного
излучения быстрых заряженных частиц, взаимодействующих с ансамб
лем случайно расположенных рассеивателей;
- предсказан и исследован эффект интерференционного усиления
тормозного излучения электронно-познтронных пар высокой энергии в
веществе;
предсказан и изучен аномальный эффект плотности в тормозном излучении релятивистского заряда в тонком слое вещества;
развита общая теория ПРИ релятивистских частиц в кристаллах, учитывающая интерференцию ПРИ и других когерентных механизмов излучения быстрой частицы, предсказано появление острых всплесков в спектрально-угловом распределении ПРИ, интерферирующего с черепковским излучением.а также резкое изменение (зависящее от знака заряда излучающей частицы) спектрально-угловых характеристик ПРИ в условиях его интерференции с когерентным тормозным излучением;
предложен эффективный метод исследования свойств когерентного излучения релятивистских частиц в ориентированных кристаллах, на основе которого предсказан эффект интерференционного сдвига максимума в спектре излучения ультрарелятивистских электронов, взаимодействующих с атомной плоскостью кристалла, а также эффект зависимости относительного вклада каналированной и надбарьерной фракции электронного потока в выход излучения на атомных цепочках кристалла и начальной энергии электронов ;
дано теоретическое обоснование нового метода генерации цирку-лярно-поляризованного гамма-излучения в процессе рассеяния надба-рьерных электронов высокой энергии на атомной цепочке кристалла, предсказал эффект монохроматизации такого излучения в условиях интерференции излучения, испускаемого электроном на цепочках, расположенных в атомной плоскости кристалла, предсказан эффект изменения направления линейной поляризации когерентного излучения электронов на атомной цепочке кристалла.
Теоретическое исследование процессов взаимодействия заряженных частиц с веществом проведено в диссертации с использованием апробированных методов теоретической физики. Большинство результатов работы получено в аналитической форме, что позволило дать ясную физи-
ческую интерпретацию исследованных эффектов и осуществить предельные переходы к результатам, полученным ранее другими авторами. Ряд установленных в диссертации теоретических эффектов, таких как аномальный эффект плотности в тормозном излучении релятивистского заряда в тонком слое вещества, интерференция параметрического и когерентного тормозного механизмов излучения быстрой частицы в кристалле, эффект зависимости отнтсительного вклада каналнрованной и надба-рьернон фракции электронного потока в когерентное излучение на атомных цепочках кристалла, интерференционное смещение максимума в спектре излучения ультрорелятнвнстских электронов на атомной плоскости кристалла получили эксперементальное подтверждение. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ определяется общей направленностью исследований диссертации на решение проблемы создания новых эффективных источников излучения и вторичных частиц. В работе:
предложены и исследованы теоретически конкретные методы увеличения интенсивности и управления параметрами параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов в кристалле;
развита теория интенсивного источника гамма-излучения на основе когерентного излучения потока релятивистских электронов на атомных цепочках толстого кристалла, учитывающая вклад каналнрованной и надбарьерной фракций потока, недипольность н квантовую отдачу при излучении, многократное рассеяние и потери энергии первичных электронов ;
исследована зависимость эффективности источника позитронов, основанного на когерентном излучении релятивистских электронов в кристалле, от атомного номера элемента кристалла и начальной энергии электронов;
развита теория источника линейно-поляризованного гамма-излучения, основанного на когерентном излучении релятивистских электро-
нов в условиях плоскостного каналпрованпя в кристалле, позволяющая эффективно рассчитывать характеристики излучения в кристалле большой толщины, и теоретически обоснован метод генерации линейно-поляризованного гамма-излучения в процессе столкновения надбарьерных электронов с атомной цепочкой кристалла;
- развита теория генерации цнркулярно-поляризованного гамма-излучения в процессе неднпольного излучения релятивистских надбарьерных электронов на атомной цепочке кристалла. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1. Предсказан эффект подавления дипольного тормозного излучения
быстрых заряженных частиц, взаимодействующих с ансамблем случайно
расположенных рассеивателей. Исследовано проявление этого эффекта,
обусловленного насыщением угла многократного рассеяния быстрой
частицы на длине формирования излучения, в условиях нзлу-чення нере
лятивистских частиц в аморфной среде и в условиях когерентного излу
чения релятивистских частиц, взаимодействующих с системой атомных
цепочек кристалла.
-
Показано существенное влияние междуатомных корреляций на свойства поляризационного тормозного излучения (ПТИ) быстрых заряженных частиц в конденсированных средах. Предсказан эффект подавления низкочастотной составляющей ПТИ быстрого заряда в аморфной среде вследствие корреляций, обусловленных конечностью размера атомов, а также эффект подавления нскогерентной составляющей ПТИ в кристалле во всей области спектра излучения.
-
Выявление резкое различие влияния эффекта плотности на тормозное излучение релятивистского заряда в безграничной среде и в тонком слое вещества. Предсказанный "провал" в спектре тормозного излучения быстрой частицы в слое вещества обусловлен конкуренцией эффекта плотности и эффекта образования низкочастотного плато в спект-ре, определяемого полным углом рассеяния частицы в слое.
-
Установлена существенная модификация свойств параметрического рентгеновского излучения (ПРИ) релятивистских частиц в кристалле в условиях интерференции ПРИ с другими когерентными механизмами излучения. Предсказано появление острых всплесков в спечт-рально-угловом распределении ПРИ, интерферирующего с черенкэв-ским излучением, а также резкое изменение (зависящее от знака заряда излучающей частицы) спектрально-угловых характеристик ПРИ в условиях его интерференции с когерентным тормозным излучением.
-
Предложен эффективный метод расчета излучения релятивистских частиц при произвольной степени неднпольности. При ПОМОЩИ этого метода установлен эффект интерферецнонного сдвига максимума в спектре когерентного излучения ультрарелятивистских электронов, взаимодействующих с атомной плоскостью кристалла, а также эффект зависимости относительного вклада каналированной и надбарьерной фракций электронного потока в выход коллимироваиного излучения на атомных цепочках толстого кристалла от атомного номера элемента кристалла и начальной энергии электронов.
-
Дано теоретическое обоснование новых эффективных методов генерации поляризованных гамма-квантов релятивистскими электронами в кристаллах. Исследована генерация линейно-поляризованного излучения в процессе некоррелированных столкновений электронов с атомными цепочками кристалла и предсказан эффект изменения направления поляризации излучения, обусловленный искривлением траектории электрона в потенциале цепочки, а также тепловыми колебаниями атомов кристалла. Развита теория генерации циркулярно-поляризованных гамма-квантов в процессе неднпольного излучения релятивистских надба-рьерных электронов на атомной цепочке и предсказан эффект монохро-матнзации такого излучения в условиях интерференции излучения, испускаемого электроном на цепочках, расположенных в атомной плоскости.
Диссертационная работа составляет основу нового научного направления, заключающегося в исследовании процессов электромагнитного взаимодействия быстрых частиц с веществом, которые определяются как интерференцией между последовательными актами взаимодействия быстрой частицы с атомами вещества, обуславливающей коллективный характер взаимодействия, так и интерференцией между различными механизмами коллективного взаимодействия.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных совещаниях по излучению релятивистских частиц в кристаллах (Нальчик 1988, Звенигород 1990), Всесоюзных и межнациональных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 1989, 1990, 1991, 1992, 1993, 1994, 1995), Всесоюзном совещании по проблемам применения эффектов каналирования в физике высоких энергий (Протвино 1991), Международных конференциях по атомным столкновениям в твердом теле (Онтарио 1991, Линц 1995), Рабочем совещании по физике на ВЛЭПП (Протвино 1992), Международной конференции по ускорителям высокой энергии (Гамбург 1992), Международных симпозиумах по излучению релятивистских электронов в периодических структурах (Томск 1993, 1995), Международной конференции по физике на Украине (Киев 1993), Европейской конференции по ускорителям (Лондон 1994), Международной рабочей группе по источникам для линейных коллайдеров (Шверин 1994), Междунароной конференции по ускорителям (Даллас 1995), Международной рабочей группе по каналированию (Орхус 1995).
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения. Полный объем работы составляет 262 страницы и включает список литературы из 135 наименований, содержит 37 рисунков.
