Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Процессы взаимодействия быстрых частиц и излучения с веществом всегда привлекали внимание исследователей, как многообразием физических явлений, так и широкими возможностями реализации важных приложений. Особое место в обсуждаемой области физики занимает проблема коллективного отклика атомов среды на вносимое извне электромагнитное возмущение, поскольку в указанных условиях возникают возможности существенного усиления выходов электромагнитных процессов, а также открываются различные пути исследования атомной структуры вещества.
Настоящая диссертация посвящена в основном теоретическому анализу процессов коллективного электромагнитного взаимодействия релятивистских электронов с упорядоченными, либо частично упорядоченными средами. Данная проблема является одной из наиболее актуальных в физике взаимодействия быстрых частиц с веществом. Достаточно указать на такие ее разделы как физика высоких энергий, современная электронная микроскопия, генерация излучения в исключительно широком диапазоне энергий фотонов от СВЧ до десятков ГэВ, диагностика пучков заряженных частиц.
Основное внимание в диссертации уделяется коллективным эффектам в процессах рентгеновского излучения быстрых электронов в веществе, главным образом, в поляризационном тормозном излучении (ПТИ) и его когерентной составляющей - параметрическом рентгеновском излучении (ПРИ). Характерная область энергии электронных пучков в исследуемых процессах имеет величину порядка 10-20 МэВ, а энергия излучаемых фотонов попадает в типичный рентгеновский диапазон от единиц до десятков кэВ. Интерес к выбранной теме обусловлен, прежде всего, обилием нерешенных физически важных проблем в этой, сравнительно недавно, возникшей области физики излучения, а также широкими возможностями реализации новых приложений. К числу таких проблем относятся: необходимость интерпретации неожиданных результатов первых успешных измерений ПРИ вдоль скорости излучающего электрона, отсутствие теории ПРИ в условиях сильной дисперсии диэлектрической проницаемости мишени, необходимость разработки новых путей преодоления основного недостатка ПРИ (низкой интенсивности, затрудняющей практическое использование этого механизма излучения), актуальность развития методов контроля процессов рассеяния и излучения фотонов в кристалле посредством акустических волн, необходимость количественной интерпретации экспериментов по когерентной генерации рентгеновского излучения релятивистскими электронами, движущимися в кристалле вдоль одной из кристаллографических осей, потребность в разработке новых энергодисперсионных методов диагностики атомной структуры вещества, в том числе на основе ПТИ.
- развить физические представления и методы описания процессов
когерентного рассеяния электромагнитного поля релятивистских электронов в
веществе, разработать на их основе конкретные приложения в областях новых
методов диагностики атомной структуры вещества и эффективных источников
квазимонохроматического рентгеновского излучения, а также предложить
количественное объяснение ряда важных экспериментов в данной области.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:
- Разработать новые энергодисперсионные методы диагностики функции
распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации и
микрокристаллитов в наноматериале по размерам и форме.
- Разработать новый энергодисперсионный подход к диагностике
поликристаллических материалов, основанный на использовании ПТИ
релятивистских электронов.
- Развить теорию ПРИ в условиях сильной дисперсии диэлектрической
проницаемости мишени и исследовать влияние такой дисперсии на эффект
аномального поглощения в ПРИ.
Исследовать ПРИ в режиме скользящего падения электронов на поверхность мишени и несимметричной геометрии и доказать возможность существенного увеличения интенсивности ПРИ.
Исследовать числено-аналитическими методами на основе строгого кинетического подхода проблему соотношения вкладов процессов рассеяния реальных фотонов тормозного излучения и виртуальных кулоновских фотонов в формирование выхода ПРИ.
- Развить строгую кинетическую теорию процесса одновременного ПРИ
вперед и дифракции тормозных квантов на системе атомных плоскостей,
ответственных за ПРИ и предложить на е основе количественную
интерпретацию первого успешного эксперимента по обнаружению ПРИ вперед.
- Развить простой кинематический подход к описанию дифракции
расходящихся немонохроматических рентгеновских пучков в кристалле,
возбужденном акустической волной, и получить на его основе объяснение
результатов экспериментов по усилению ПРИ и дифрагированных
рентгеновских пучков в акустически возбужденных кристаллах.
Развить теорию низкочастотного рентгеновского излучения релятивистских электронов, движущихся вдоль оси кристалла в режиме случайных столкновений с цепочками атомов. Определить механизм излучения и рассчитать его спектр с учетом корреляций между последовательными столкновениями электрона с цепочками. Объяснить на основе развитой теории данные проведенных измерений.
Разработан новый энергодисперсионный метод диагностики функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации.
Разработан новый метод диагностики размера и формы нанокластеров в ультрамелкодисперсной среде.
Впервые установлено резкое возрастание влияния эффекта аномального поглощения на ПРИ в условиях проявления эффекта Вавилова -Черенкова. Показано, что в рассматриваемых условиях возможно существенное увеличение выхода ПРИ.
Впервые предложен и теоретически исследован метод увеличения интенсивности ПРИ за счет подавления фотопоглощения в режиме скользящего падения электронов на поверхность мишени в несимметричной геометрии рассеяния.
Развита теория когерентного излучения релятивистских электронов, движущихся в кристалле в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, учитывающая корреляции между последовательными столкновениями, интерференционный вклад переходного излучения и не имеющая ограничений на энергию излучающих электронов. На основе теории дана количественная интерпретация данных выполненных измерений.
Впервые показано, что запрет на ПРИ вдоль скорости излучающего электрона, возникающий в геометрии рассеяния Брэгга, снимается в условиях реализации эффекта Вавилова - Черенкова.
- Развита теория ПРИ вдоль скорости излучающих электронов,
описывающая в рамках единого подхода собственно ПРИ и дифракцию
тормозного излучения. На основе развитой теории показано, что обнаруженный
экспериментально эффект смены спектрального пика ПРИ вперед на плато
Бете-Гайтлера тормозного излучения провалом объясняется конкуренцией
указанных механизмов излучения, а также эффектом Тер - Микаэляна
подавления тормозного излучения.
- Разработана кинематическая модель ПРИ в кристалле в присутствии
акустической волны, на основе которой дано объяснение наблюдавшегося экс
периментально эффекта усиления выхода излучения в конечный коллиматор.
- Предложен и обоснован метод диагностики атомной структуры
поликристаллов с высоким энергетическим разрешением на основе исполь
зования пика ПТИ в направлении, противоположном скорости излучающего
электрона.
- Разработанные и запатентованные методы диагностики мозаичности
кристаллов, а также размеров нанокластеров в ультрамелкодисперсных средах
найдут применение в области разработки и создания элементов рентгеновской
оптики, а также создания новых материалов и устройств в области
современных нанотехнологий. Эффективность предложенного метода диагностики мозаичности уже подтверждена экспериментально.
- Выявленные и обоснованные теоретически новые подходы к
повышению интенсивности ПРИ, основанные на использовании схемы
скользящего падения электронов на поверхность мишени, или модификации
эффекта аномального поглощения при преодолении электроном черенковского
барьера найдут применение в области создания эффективных источников
квазимонохроматического рентгеновского излучения, альтернативных совре
менным синхротронам.
Метод увеличения выхода ПРИ, основанный на геометрии скользящего падения, уже нашел экспериментальное подтверждение.
- Развитие предложенного и обоснованного метода диагностики атомной
структуры вещества на основе ПТИ релятивистских электронов может
привести к созданию методик с исключительно высоким пространственным
разрешением.
Эффективность предложенного метода уже подтверждена экспериментально на примере диагностики поликристаллов.
Разработанные методы описания ПРИ и дифракции расходящихся немонохроматических рентгеновских пучков в кристаллах, возбужденных акустическими волнами, найдут применение при создании устройств контроля и управления электромагнитными процессами в кристаллических средах.
Результаты анализа влияния многократного рассеяния излучающих электронов на свойства ПРИ позволили выявить область параметров задачи, в которой справедливо упрощенное описание обсуждаемого процесса. Данный вывод, обосновывающий простой подход к интерпретации экспериментов, найдет применение в области фундаментальной физики ПРИ.
Развитые в работе численно - аналитические методы описания сложных процессов ПРИ вперед с учетом дифракционного выбывания из конуса излучения ПРИ тормозного фона и рентгеновского КТИ надбарьерных электронов с учетом корреляций между последовательными случайными столкновениями электрона с атомными цепочками будут использованы при дальнейшем развитии теории излучения быстрых частиц в среде.
обеспечивается, прежде всего, аналитической формой большинства из них, позволившей совершить предельные переходы к достоверным результатам, полученным ранее другими авторами. В работе использовались только апробированные методы теоретического анализа электродинамических процессов в веществе (классическая теория излучения, динамическая теория дифракции, метод кинетического уравнения в теории многократного рассеяния, методы функций комплексной переменной, асимптотические методы вычисления интегралов), что также повышает степень достоверности полученных результатов. Многие из результатов получили количественное,
либо качественное экспериментальное подтверждение (метод определения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, метод диагностики поликристаллов с помощью ПТИ, метод увеличения интенсивности ПРИ в режиме скользящего падения электронов на поверхность кристалла, теория ПРИ в кристалле, возбужденном акустической волной, теория ПРИ вперед с учетом дифракционного выбывания фотонов тормозного излучения из конуса ПРИ, теория рентгеновского КТИ надбарьерных электронов, учитывающая корреляции между последовательными случайными столкновениями электрона с атомными цепочками).
1 .Установленные закономерности рассеяния широкополосных расходящихся рентгеновских пучков в упорядоченных средах и основанные на этих закономерностях новые энергодисперсионные методы определения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, а также размеров и формы нанокластеров в ультрамелкодисперсной среде.
2. Установленный механизм формирования аномального пика ПТИ
релятивистских электронов в поликристалле в направлении, противоположном
скорости излучающего электрона и основанный на этом пике
энергодисперсионный метод диагностики поликристаллов с высоким
энергетическим и пространственным разрешением.
3. Выявленные особенности формирования выхода ПРИ релятивистских
электронов в периодических средах в условиях преодоления электроном
черенковского барьера, а также скользящего падения электронов на
поверхность мишени в несимметричной геометрии дифракции и основанные на
этих особенностях методы повышения интенсивности ПРИ.
4. Теория процесса ПРИ вдоль скорости излучающего электрона в
условиях сильного поглощения, многократного рассеяния и дифракционного
выбывания фотонов тормозного фона из конуса излучения ПРИ и
количественное объяснение неожиданных результатов первого успешного
эксперимента по обнаружению ПРИ вперед.
5. Метод количественного описания процесса генерации рентгеновского
излучения релятивистскими электронами, движущимися вдоль оси кристалла в
режиме случайных столкновений с атомными цепочками, позволяющий учесть
корреляции между последовательными столкновениями электрона с
цепочками, а также интерференционный вклад переходного излучения, и
обеспечивающий физическую интерпретацию данных выполненных
измерений.
6. Теоретическое обоснование возможности радикального упрощения
описания ПРИ в условиях сильного многократного рассеяния заменой
неравновесного электромагнитного поля релятивистского электрона
равновесным кулоновским, допустимой в области частот и энергий, в которой
длина формирования тормозного излучения мала по сравнению с расстоянием,
на котором угол рассеяния сравнивается с угловым масштабом равновесного поля.
Работа выполнена в лаборатории радиационной физики Белгородского
государственного университета в соответствии с планами государственных
научных программ и грантов. Среди них: «Грант РФФИ № 03-02-16263
«Исследования эффектов, связанных с явлением динамического хаоса при
прохождении частиц большой энергии через кристалл» 2003-2005; Федеральная
целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме
«Аномальные явления в процессах излучения быстрых электронов в
конденсированных средах и новые возможности создания рентгеновских
источников следующего поколения» (грант № РНП.2.1.1.3263), 2006-2008;
Грант РФФИ № 07-02-12226-офи «Разработка метода диагностики атомной
структуры вещества на основе поляризационного тормозного излучения
релятивистских электронов» 2007 -2008 ; Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технологического комплекса России на 2007-2012 годы» «Работы по
проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию
научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по
критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» по теме:
«Развитие методов диагностики наноструктурированных сред, основанных на
поляризационном тормозном излучении электронов, для создания новых
материалов», государственный контракт № 02.513.11.3374; Грант РФФИ №09-
02-97528 р-центр-а «Развитие энергодисперсионных методов диагностики
атомной структуры кристаллических, поликристаллических и
наноструктурированных сред с помощью синхротронного излучения и поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов»; Федеральная целевая программа Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлениям: «Оптика. Лазерная физика и лазерные технологии», «Радиофизика, акустика и электроника», «Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение», «Физика плазмы», «Физика атмосферы» в рамках мероприятия 1.2.1. Программы. Проект «Разработка новых подходов к диагностике атомной структуры вещества, основанных на рассеянии широкополосных пучков свободных и виртуальных фотонов» ГК № П2317; Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы научно-исследовательские работы по направлению «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области физики конденсированных сред, физического материаловедения» шифр «2010-1.1-121-011» по теме: «Исследования управляемых электромагнитных процессов в конденсированных средах» ГК № 02.740.11.0545
Материалы диссертации апробировались на 17 международных конференциях, список докладов на которых приводится в конце автореферата.
В основу диссертационной работы положены материалы 27 статей, опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, и 2 патентов.
Личный вклад соискателя заключается в идейной постановке всех задач, рассмотренных в диссертации. Принципиальные аналитические и компьютерные исследования проведены лично автором. В вычислениях, направленных на получение конечных и иллюстративных материалов, принимали участие соавторы работ. Оформлению публикаций предшествовали коллективные обсуждения, но главные выводы формулировались в основном автором. Ей же написаны тексты публикаций (ориентировочная оценка личного вклада составляет величину порядка 80%)
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Объем работы - 274 страницы, она включает в себя 54 рисунка. Список литературы состоит из 203 наименований.
