Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному изучению электромагнитных процессов, происходящих в результате прохождения импульса ионизирующего излучения через среду.
Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью изучения процессов формирования импульсов тока и их полей в ядерной физике и физике элементарных частиц, где вторичные электромагнитные процессы могут быть либо сигналами исследуемых эффектов (явлений), либо фоном.
В литературе широко представлены работы посвященные рассмотрению электромагнитных полей источников, перемещающихся со скоростями большими, равными и меньшими скорости света в вакууме.
Сверхсветовое движение источников в вакууме рассматривалось в [1], [2]. Примеры источников, перемещающихся со скоростью большей скорости света в вакууме, приведены в [3] и в обзоре актуальных проблем в УФН [4]. Отметим, что в приведенных работах сам источник (импульс тока) электромагнитного излучения, как правило, не рассчитывался. Интерес к созданию сверхсветовых источников в последние годы возрос в связи с обсуждением возможности с их помощью генерировать мощные электромагнитные импульсы [5]. Волны, формируемые такими источниками, имеют сложную зависимость от временных и пространственных переменных. Методы расчета полей в пространственно-временном представлении изложены в [6], [7], [8]. Расчеты полей сверхсветовых источников в этих работах проведены для конкретных форм импульсов тока (точечный ток, ток, распределенный по нормальному закону). Для выявления особенностей волн, формируемых сверхсветовыми источниками, необходимо рассмотрение задачи в общем виде при произвольных формах тока.
Теоретические и экспериментальные исследования локализованных электромагнитных волн проводятся с конца девятнадцатого века. Эти работы связаны с проблемой возбуждения узконаправленных электромагнитных полей и создания соответствующих излучателей. Известно, что уравнения Максвелла допускают существование электромагнитных волн, сохраняющих неизменной пространственно-временную структуру при распространении в вакууме [9]. Несмотря на то, что решение известно давно, описываемая им локализация волн не обсуждалась до работы Н.Бриттенгама [10]. В ней он получил локализованные электромагнитные волны (сфокусированные волновые моды). Позднее, сфокусированные волновые моды были получены как решения системы уравнений Максвелла, удовлетворяющие специальному условию – “гауссову” поперечному распределению волны на плоскости, перемещающейся со скоростью света [11]. Были найдены Эрмит-Гаусс, и Бессель-Гаусс волновые структуры [12]. Для возбуждения этих волн предложены простые источники – токи, распределенные на плоскости, перемещающейся со скоростью света: точка [13], круговой контур [14], диск [12]. В работе [13] импульс макроскопического тока, скорость перемещения которого равна скорости света, предлагалось формировать при поглощении энергии импульса жесткого излучения средой, при этом изучение способа формирования источников локализованных электромагнитных волн не проводилось.
В экспериментах С.И.Вавилова и П.А.Черенкова [15] был открыт эффект направленного излучения в оптическом диапазоне (ИВЧ), возникающий при воздействии на жидкости гамма квантов и показано, что он отчетливо наблюдается в тех случаях, когда скорость перемещения электрона больше скорости распространения света в среде. Спустя 30 лет на пучке электронов обнаружили слабое оптическое излучение в газовом черенковском счетчике при энергии меньшей пороговой [16]. Это излучение называемое подпороговым излучением Вавилова – Черенкова изучалось в газовых детекторах [17]. В [18] показано, что учёт подпорогового ИВЧ существенно влияет на точность определения состава пучка вторичных частиц в экспериментах на ускорителях. Объяснение эффекта подпорогового излучения предложено в [19], [20], [21]. Рассмотрение приведенных работ показывает, что исследование формирования подпорогового излучения остается актуальной задачей.
Перечисленные задачи объединяет то, что их изучение возможно в рамках единой схемы построения источников и единой методики решения начальной электродинамической задачи в пространственно-временном представлении. Отметим, что при теоретическом изучении токов и полей, формируемых в результате взаимодействия импульсов излучения с веществом, необходимо рассматривать как физические процессы, приводящие к образованию заряженных частиц, так и, что не менее важно, вторичные процессы взаимодействия образующихся частиц с атомами среды.
В экспериментальной ядерной физике и физике высоких энергий имеются задачи, для решения которых необходимы расчет токов и электромагнитных полей, формируемых в детекторах. Поэтому количественное описание токов, появляющихся при взаимодействии излучения с веществом детекторов, имеет большое прикладное значение.
Объекты исследования – токи, возникающие при взаимодействии узконаправленного импульса гамма-излучения с газовой средой, и электромагнитные поля, формируемые этими импульсами тока.
- изучение формирования импульсов тока при взаимодействии узконаправленных импульсов гамма излучения с веществом и характерных особенностей вторичных электромагнитных волн.
Сформулированная цель определила направления исследований:
1) разработка метода расчета токов, формируемых при взаимодействии узконаправленных импульсов гамма излучения с веществом.
2) изучение пространственно - временных распределений электронов в газовой среде при различных энергиях падающих гамма-квантов и определение возможности применения модели линейного тока для расчета электромагнитных полей.
3) создание алгоритмов и оптимизация программ расчета пространственно - временных и частотных характеристик электромагнитных полей источников, перемещающихся по отрезку прямой со скоростями равными и большими скорости света в вакууме.
4) применение разработанных алгоритмов для узконаправленных импульсов гамма излучения, распространяющихся в веществе, с учетом геометрических параметров среды и анализ получаемых токов и полей. Подпороговое излучение, сверхсветовые импульсы токов, локализованные волны.
5) оптимизации параметров детекторов на микроканальных пластинах (МКП) с использованием разработанного метода формирования импульса тока.
оптимизации параметров детекторов на микроканальных пластинах (МКП) с использованием разработанного метода формирования импульса тока.
.
Предложен метод расчета пространственно-временной структуры тока, формируемого при взаимодействии импульса гамма излучения с веществом. Новизна метода заключается в учете на микроскопическом уровне элементарных актов взаимодействия узконаправленного импульса ионизирующего излучения со средой.
Установлена возможность применения модели линейного тока для описания электромагнитного поля тока, создаваемого узконаправленным импульсом гамма излучения в газовой среде.
Получены в явном виде выражения для расчетов полей импульсов тока произвольной формы, перемещающихся по отрезку прямой со скоростями большими скорости света в пространственно-временном представлении.
Проведен расчет электромагнитных полей для модельных источников, перемещающихся со скоростью большей скорости света в вакууме. Определены условия, при которых излучение сверхсветового источника в вакууме и в среде без дисперсии аналогично излучению Вавилова-Черенкова.
Для импульса тока, перемещающегося со скоростью света, рассчитано электромагнитное поле во временном представлении. Показано, что в этом случае формируются два импульса электромагнитного поля противоположной полярности, сдвинутые по времени прихода в фиксированную точку наблюдения.
Представлены модели возникновения излучения в световом диапазоне в результате прохождения импульса ионизирующего излучения через воздушную среду до порога эффекта Вавилова-Черенкова.
Доказана принципиальная возможность физической реализации электромагнитных волн, локализованных в пространстве и времени.
Рассчитана форма импульса тока на выходе канала микроканальной пластины (МКП) и показано, что она согласуется с экспериментально наблюдаемой. На основе разработанного метода проведена оптимизация конструкций и режимов работы детекторов на МКП.
Смоделированы и разработаны детекторы на базе МКП с различными системами съема информации, позволяющие выполнять прецизионные измерения координат и времени прохождения заряженных частиц через детектор.
.
С использованием метода имитационного моделирования получено описание формы импульса тока на выходе микроканального детектора, согласующееся с формой экспериментально наблюдаемого импульса.
На основе моделирования проведен выбор параметров детекторов на базе МКП. Для проведения экспериментов в ядерной физике и физике высоких энергий предложены и разработаны детекторы на базе МКП с различными системами съема информации.
Результаты моделирования с использованием пакетов GEANT и FLUKA используются в процессе обучения на кафедре ядерной физики физического факультета СПбГУ.
Положения, выносимые на защиту.
1. Метод и результаты расчета пространственно-временных распределений токов, образующихся при взаимодействии узконаправленных импульсов ионизирующего излучения с газовой средой, учитывающие микроскопические перемещения вторичных электронов.
2. Решение в явном виде задачи формирования электромагнитных волн импульсом линейного тока произвольной формы и длительности движущимся со скоростью по отрезку прямой.
3. Результаты анализа особенностей электромагнитных полей, формируемых при перемещении импульса тока со сверхсветовой скоростью по отрезку прямой.
4. Разработанные модели, описывающие подпороговое излучение, возникающее при прохождении гамма квантов через газовую среду.
5. Оценки параметров пространственно-временного распределения жесткого излучения, обеспечивающие формирование направленных электромагнитных волн.
6. Результаты численного моделирования конструкций детекторов заряженных частиц, разработанных на базе микроканальных пластин для ядерной физики и физики высоких энергий.
7. Результаты экспериментального тестирования детекторов на микроканальных пластинах с различными системами съема информации.
. Результаты, содержащиеся в диссертации, докладывались и обсуждались:
на ежегодных Международных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (на 34, 42, 47, 49 - 59 совещаниях.) в 1984, 1992, 1997, 1999-2010 гг.,
на международных семинарах «Дни дифракции», Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2009 гг.
на научных семинарах кафедр ядерной физики и радиофизики Санкт-Петербургского государственного университета.
Созданные по теме диссертации программы и результаты компьютерного моделирования докладывались:
на 3-ем совещании по вторичному электронному излучению. Санкт-Петербург, Радиевый инст., 1998 г.
на совещании по компьютерной физике "Workshop on Computational Physics. " Санкт-Петербург, 2003.
Часть результатов, представленных в диссертации, была получена в рамках исследований, поддержанных грантами РФФИ и МНТЦ.
Основная часть задач, составляющих содержание работ в приведенном ниже списке публикаций, была поставлена и решена автором. Вклад автора настоящей диссертации в работы с соавторами заключается в участии в постановке задач, создании компьютерных программ, анализе полученных решений, в приложении их к экспериментальным исследованиям и в изготовление и тестирование детекторов.
