Введение к работе
-3-
Актуальность темы Во всех природных явлениях мы сталкиваемся с процессами, происходящими как беспорядочно, так н упорядочению - каждое явление заключает в себе совокупность различных законов природы, которые существуют независимо от нашего познания н понимания. Соотношение между порядком и беспорядком, как оно влияет на характер протекающих процессов волнует уже многие столетня умы исследователей. Эта проблема выросла в целое философское направление. Одним нз такого рода проявлений является переход от беспорядка к периодичности, например, переход от аморфного вещества к кристаллу. Под влиянием такого перехода изменяются свойства материалов, что влечет за собой изменение характера взаимодействия частиц с веществом. Наиболее ярким примером влияния такого перехода является, по-видимому, переход от тормозного излучения в аморфной среде к когерентно-тормозному излучению. Влияние периодичности сказывается и на поведении самих частиц. В частности, за счет когерентных процессов взаимодействия пролетающих частиц со средой, которые имеют место как следствие периодичности среды, могут проявляться волновые свойства частиц (дифракция, интерференция). При исследования процессов прохождения частиц через периодические структуры важно отметить, что все процессы различаются лишь степенью упорядочения взаимодействий. Поэтому представляет интерес изучение изменений, сопровождающих переход от одной степени периодичности к другой.
Взаимодействие потоков заряженных и нейтральных частиц с различными веществами является одним из самых широко используемых физических методов исследования свойств различных веществ и процессов. Важное место среди этих методов занимает электромагнитное излучение, которое применимо во всем своем спектре длин волн: от жестких -у -квантов до мягкого ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Поэтому поиск новых источников интенсивного электромагнитного излучения разного частотного диапазона был и остается актуальной проблемой. Основными источниками излучения являются взаимодействия заряженных частиц с твердыми телами п разного рода внешними полями. Процессы электромагнитного излучения, сопровождающего движение заряженных частиц в различных полях, широко исследуются н до сих пор как теоретически, так и экспериментально. Исследования в этой области привели к разработке теории тормозного излучения в аморфной мишени, теории когерентно-тормозного
и некогерентного излучения, теории ондуляторного и синхротронного излучений и т.д. Принципиально новые возможности возникли в последнее время в связи с открытием мощного спонтанного излучения, возникающего при каналировашш релятивистских заряженных частиц в кристаллах. Этот тип излучения характеризуется высокой спектральной плотностью, высокой направленностью излучения, непрерывной перестраиваемо-стью по длине волны, большой степенью поляризации и т.д. Б коротковолновом рентгеновском и 7 -диапазоне каналпрованное излучение является наиболее интенсивным среди известных типов электромагнитного излучения.
Другой подход к решению проблемы поиска интенсивных источников излучения - это увеличение плотности излучения существующих источников рентгеновского и 7 -излучения. Очевидно, что увеличение интенсивности излучения приведет к возможности уменьшения размеров исследуемых объектов, а также к экспрессивности экспериментальных методов, что очень важно для исследования целого ряда новых, недоступных пока явлений природы. Повышение спектрально-угловой плотности излучения позволило бы сдвинуть исследования в качественно новые неисследованные области физики, химии, биологии и др. В этой связи становится понятным интерес исследователей к новым методам управления пучками нейтральных частиц, в частности, фотонов. Наиболее перспективным на сегодняшний день является, по-видимому, капиллярная оптика -новая область физики, появившаяся как метод контроля над рентгеновским излучением. Сейчас капиллярная оптика применяется как для управления пучками рентгеновских квантов, так и для управлення пучками тепловых нейтронов, разрабатывается также теория прохождения заряженных частиц через капиллярные структуры.
Прохождение' заряженных частиц через кристаллы и нейтральных частиц через капиллярные системы, сильно отличаясь по своей природе, имеют много общего. Поэтому использование существующей аналогии может значительно упростить исследования в каждой из областей.
К настоящему времени теория эффекта каналирования и излучения при каналировашш достаточно хорошо разработана. Исследования в этой области носят в значительной мере прикладной характер, за исключением каналировашш ультрарелятивпетских частиц. Представляет, однако, интерес рассмотрение излучения релятивистских частиц в условиях кашширова-ния с учетом всех основных пзлучательиых процессов в рамках единого подхода, что позволит построить полный спектр электромагнитного излу-
чешія релятивистских частиц в кристаллах. Развитие численных методов способствовало смещению исследований в область толстых кристаллов для поиска оптимальных толщин изучаемых образцов. Практический интерес представляет использование спектроскопии каналированного излучения как чувствительного метода исследования твердых тел.
Теоретические исследования прохождения рентгеновских лучен через капиллярные системы опирались до сих пор на методы геометрической оптики. Моделирование процессов этими методами давало результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными. Однако, симметрия капиллярных систем наталкивает на мысль о том, что при определенных условиях она может стать причиной проявления волновых свойств рентгеновских лучей. Поэтому стало необходимым развитие волновой теории прохождения рентгеновских лучей через капилляры и созданные на их основе системы.
Все это предопределяет интерес к процессам прохождения заряженных (электроны, позитроны, протоны, ионы) частиц в ориентированных кристаллах и сопровождающим процессам, а также к процессам каналирова-ния нейтральных частиц (фотоны, нейтроны) в капиллярных структурах. Теоретическому и экспериментальному исследованию эффектов, имеющих место в этих процессах, для создания единой теории каиалирования с учетом влияния периодичности систем на характер протекания процессов посвящена данная работа.
Целью настоящей диссертационной работы является:
развитие общей теории электромагнитного излучения релятивистских электронов в кристаллах с учетом основных факторов рассеяния при движении пучка частиц под малыми углами к главным кристаллографическим направлениям;
исследование процессов прохождения МэВ-ных электронов в толстых монокристаллах в режиме каиалирования;
исследование каиалирования и излучения при каналировашш в высокотемпературных сверхпроводниках;
развитие волновой теории прохождения нейтральных частиц (рентгеновских фотонов, нейтронов) через периодические капиллярные структуры;
исследование процессов прохождения рентгеновских лучей от различных источников через капиллярные системы;
управление пучками тепловых нейтронов с помощью капиллярных структур; создание капиллярного бендера (отклоняющей системы) для
тепловых нейтронов. Научная новизна
-
Развита теория электромагнитного излучения, позволившая единым образом описать различные механизмы излучения при рассеянии релятивистских каналнрованных частиц в кристаллах. Показано, что спектр тормозного излучения при каналировании формируется за счет упругих и неупругих процессов рассеяния, что спонтанное излучение при каиалиро-вашпг (излучение Кумахова) выступает как частный, резонансный случай рассеяния в условиях каналирования.
-
Проведено моделирование каналирования и излучения при каналировании в толстых монокристаллах. Показано, что плоскостное каналиро-вание МэВ-ных электронов сохраняется в миллиметровых мишенях, что, в свою очередь, проявляется в спектрах электромагнитного излучения. Проведен расчет асимметрии углового распределения ллоскоканалироианных электронов.
-
Впервые рассчитаны непрерывные потенциалы осей и выход фотонов излучения при каналировании МэВ-ных электронов в высокотемпературном сверхпроводнике. Проведен анализ влияния высокотемпературного сверхпроводящего перехода на характеристики каналирования.
4. Развита волновая теория прохождения нейтральных частиц через
капиллярные системы. Предсказан эффект интерференции рентгеновских
лучей в оптике многократного отражения, предложена феноменологическая
теория эффекта. Разработан численный метод решения волнового уравне
ния движения нейтральных частин в капиллярных периодических структу
рах. Проведены расчеты распределений рентгеновских лучей, прошедших
через фокусирующие капиллярные системы, с учетом волновых свойств
излучения. Результаты теоретических расчетов подтверждены экспери
ментально.
-
Показана возможность (теоретически и экспериментально) использования капиллярной оптики, основанная на интерференция, для создания светосильного спектрометра и для передачи изображения с подавлением рассеянного излучения.
-
Осуществлено эффективное отклонение пучка тепловых нейтронов с помощью капиллярных систем. Сконструирован впервые капиллярный бен дер тепловых нейтронов.
-
Показано, что прохождение нейтральных частиц через капиллярные системы аналогично каиалировашго релятивистских заряженных частиц в кристаллах. Таким образом, показано, что капиллярные системы
заботают во многих случаях как макрокристаллы.
Научное и практическое значение
Развитая теория электромагнитного излучения позволяет рассчитывать полные спектры тормозного излучения при каналнровашш реляти-зистскнх электронов в кристаллах с учетом всех основных взаимодействий, -по, п свою очередь, позволяет рассчитывать абсолютную интенсивность зыхода фотонов. Расчеты показывают, что каналнрованное излучение мо-кет быть применено для исследования фазового перехода в высокотемпературных сверхпроводниках.
Волновая теория прохождения нейтральных частиц через капиллярные ;нстемы и теория эффекта интерференции в оптике многократного отражения показывают возможность проявления волновых свойств рентгеновских тучей в макроструктурах определенной геометрии. Разработанный чиненный метод решения волнового уравнения в капиллярных системах позволяет исследоваті, процессы каналирования нейтральных частиц в таких лістемах. Наблюдение интерференции л фокусе линз Кумахова и, вообще, рокуспрующпх капиллярных периодических систем открывает новые возможности применения этих систем в научном приборостроении, медицине її др.
Создание нейтронного капиллярного бендера ( отклоняющего устройства ) позволяет реально управлять пучками тепловых нейтронов: этклоня'гь пучок на большие углы при небольших длинах системы и расщеплять пучок по длинам волн.
Результаты исследований могут быть использованы для обработки и постановки новых экспериментов по исследованию характеристик прохождения заряженных и нейтральных частиц через периодические системы (кристаллы, капиллярные линзы и столбики) и сопровождающих процессов.
На защиту выносятся следующие основные научные положения
диссертационной работы:
1. Результатом развитой теории тормозного излучения при каналнровашш релятивистских электронов является возможность описания всех основных излучательных процессов в режиме каналирования единым образом. В результате показано:
- спектр тормозного излучения при каналнровашш формируется за
счет когерентных (упругих и неупругпх) и некогерентных (неупругих)
процессов рассеяния;
- спонтанное электромагнитное излучение при каналнровашш (излуче-
ние Кумахова) является резонансным случаем рассеяния в условиях кана-лирования.
2. Теоретический анализ характеристик прохождения и электромаг
нитного излучения при каналировашш МэВ-ных электронов показывает:
каналнроваїше в миллиметровых кристаллах сохраняется с,проявлением характерной (для каналирования) формы спектров излучения;
спектроскопия каналировашюго излучения в высокотемпературных сверхпроводниках связана с характеристиками фазового перехода.
3. Результатом теоретического рассмотрения каналированпя нейтраль-
пых частиц в капиллярных структурах и анализа экспериментальных дан
ных является вывод
наблюдаемое перераспределение интенсивности рентгеновских лучей за системами (с упорядоченным расположением капилляров в поперечном сечении системы) есть проявление волновых свойств рентгеновских квантов;
при определенных условиях прохождение нейтральных частиц через капилляры может носить модовый характер, благодаря чему возможна эффективная транспортировка пучков рентгеновских фотонов и тепловых нейтронов посредством капилляров.
Личный вклад автора
Диссертация представляет итог самостоятельной работы автора, обобщающей полученные лично, а также в соавторстве с сотрудниками, результаты. Автору принадлежат выбор методов решения, трактовка и обобщение полученных результатов. Все аналитические и численные расчеты, а также постановка экспериментальных задач и их анализ выполнены автором самостоятельно. Часть экспериментов но управлению пучками рентгеновского излучения выполнена совместно с сотрудниками ИРО и ФИАИа, эксперимент по повороту нейтронного пучка выполнен самостоятельно. Соавторы принимали активное участие в обсуждении теоретических моделей, экспериментальных методов и полученных результатов.
Выводы, изложенные в диссертации, принадлежат автору.
Апробация результатов
Изложенные в диссертации результаты докладывались на Всесоюзных конференциях по взаимодействию заряженных частиц с кристаллами (Нальчик: 1988, 1990), на Международной конференции по синхротрон-ному излучению (Новосибирск: 1994), на Международных конференциям но оптике SPIE (Сан Диего, Денвер США: 1994-1996), на научных семинарах в Институте физики и астрономии (Орхус, Дания: 1991, 1994, 1995), і
Гаїш-Мейтпер Институте ядерной (ризики (Берлин, Германия: 1994-1995), п Институте приборостроения (Берлин, Германия: 1994-1995), в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова (іМосква: 1988-1995), в Институте рентгенооптических систем (Москва: 1992-1995), Физическом институте Академии наук (Москва: 1994-1995), в Кабардино-Балкарском государственном университете (Нальчик: 1988-1995).
Объем и структура
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 217 страницах машинописного текста, включая список литературы из 224 наименований, 52 рисунка и 3 таблицы.
