Введение к работе
Актуальность проблемы. На протяжении многих десятилетий исследования электромагнитных явлений, происходящих при взаимодействии заряженных частиц с кристаллами, привлекают неослабевающее внимание как теоретиков, так и экспериментаторов во многих лабораториях по всему миру. Такой интерес к этой области физики обусловлен тем, что при высокой энергии частиц могут проявляться различные когерентные и интерференционные эффекты. В 1950-х годах в работах Б. Ферретти, М. Л. Тер-Микаеляна и Г. Юбералла впервые было обращено внимание на возможность таких эффектов в процессе тормозного излучения релятивистских электронов в ориентированных кристаллах. В этих работах было показано, что при движении релятивистских электронов в кристалле под малым углом к одной из кристаллографических осей или плоскостей спектр тормозного излучения содержит резкие максимумы с высокой интенсивностью излучения в них. Происхождение когерентных явлений обусловлено тем, что электромагнитные процессы развиваются в большой пространственной области вдоль импульса частицы, длина которой (так называемая длина когерентности) быстро растет с ростом энергии частицы, и может значительно превышать средние межатомные расстояния в среде.
Предсказанные закономерности были впоследствии обнаружены во многих экспериментах, и уже в течение нескольких десятилетий когерентные и интерференционные эффекты при излучении релятивистскими электронами в кристаллах используются для получения монохроматических поляризованных пучков фотонов высоких энергий для исследований в различных областях физики. Тем не менее, некоторые из предсказанных явлений (такие, как влияние кристаллографических плоскостей высших порядков при сверхвысоких энергиях электронов) до сих пор не исследованы экспериментально.
Следует отметить, что основное внимание исследователей привлекает когерентное излучение, в спектре которого присутствуют острые максимумы, положение и интенсивность излучения в которых существенно зависит от ориентации кристалла относительно пучка частиц. Спектр же некогерентной части излучения (обусловленной тепловыми колебаниями атомов) подобен спектру Бете-Гайтлера излучения в аморфной среде и, на первый взгляд, интенсивность некогерентного излучения не должна зависеть от ориентации кристалла. Однако в 1980-х - 1990-х годах в ХФТИ были выполнены эксперименты, в которых регистрировалось излучение электронов с энергией порядка 1 ГэВ в кристалле. При этом была обнаружена существенная зависимость выхода излучения от ориентации кристалла в жесткой области спектра, где вклад некогерентного механизма является определяющим. До недавнего времени интерпретация этих результатов отсутствовала.
Кристаллическая структура мишени проявляется не только в явлении когерентного тормозного излучения. При падении заряженной частицы под малым углом к плотно упакованной атомами кристаллографической оси или плоскости ее движение может быть описано как движение в непрерывном потенциале, то есть потенциале совокупности атомов, усредненном вдоль оси (плоскости). Наиболее ярко существование непрерывных потенциалов проявляется в так называемом явлении капалирования, когда частицы движутся в каналах, образованных непрерывными потенциалами атомных цепочек или плоскостей. Эффект капалирования был предсказан М. Т. Робинсоном и О. С. Оуэном на основе численного моделирования движения заряженной частицы в кристалле. Основы теории капалирования были развиты в фундаментальной работе Й. Линдхарда, где были, в частности, введены и обоснованы понятия непрерывного потенциала атомной цепочки и плоскости. В настоящее время одним из важнейших приложений эффекта капалирования в области высоких энергий является его использование для управления
пучками заряженных частиц, а в области низких энергий - использование для уточнения деталей кристаллической структуры вещества.
Непрерывные потенциалы кристаллографических осей и плоскостей оказывают существенное влияние на движение частиц в кристалле, приводя к перераспределению плотности потока частиц. Такое перераспределение, в свою очередь, заметно сказывается на выходе всех процессов, связанных с малыми прицельными параметрами столкновений частиц с атомами, таких, как выбивание дельта-электронов, ядерные реакции, тормозное излучение. Таким образом, кристаллическая структура мишени может существенно повлиять на интенсивность не только когерентного, но и некогерентного тормозного излучения, обусловленного тепловыми колебаниями атомов относительно узлов кристаллической решетки.
Интенсивное исследование различных механизмов излучения быстрых заряженных частиц ведется в связи с проблемой создания новых источников рентгеновского и гамма-излучения и новых методов диагностики вещества. При этом, несмотря на значительные успехи в развитии аналитических подходов, компьютерное моделирование остается одним из основных методов исследования ориентационных эффектов в физике взаимодействия быстрых заряженных частиц с кристаллами. Рассмотрению некоторых проблем в обсуждаемой области посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование влияния кристаллической структуры мишени на интенсивность когерентного и некогерентного тормозного излучения частиц высокой энергии. В диссертации решаются следующие основные задачи: 1) разработка метода численного моделирования вклада некогерентного механизма в тормозное излучение быстрых заряженных частиц в кристаллах;
-
анализ и интерпретация на основе этого метода имеющихся в настоящее время экспериментальных данных по излучению быстрых электронов в кристаллах в жесткой области спектра;
-
исследование влияния деформации кристалла на интенсивность некогерентного тормозного излучения и возможности использования этих результатов для оценки скорости деканалирования электронов и позитронов в синусоидально изогнутых кристаллах.
Научная новизна работы. Разработана процедура компьютерного моделирования некогерентного тормозного излучения релятивистских электронов и позитронов в кристаллах, учитывающая такие особенности динамики частиц, как аксиальное и плоскостное каналирование, деканалирование, надбарьер-ное движение, азимутальное рассеяние. С помощью этой процедуры проведено исследование зависимости интенсивности некогерентного излучения от ориентации кристалла относительно пучка электронов. Дана интерпретация имеющихся к настоящему моменту экспериментальных данных.
Впервые получены предсказания относительно характера ориентацион-ной зависимости некогерентного излучения пучка позитронов.
Впервые исследовано влияние деформации кристалла на выход некогерентного излучения электронов и позитронов. Показана возможность использования этих результатов для оценки перспективности применения синусоидально изогнутых кристаллов в качестве ондуляторов.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась (1) использованием хорошо апробированных методов описания тормозного излучения (бор-новское и квазиклассическое приближения в квантовой электродинамике), (2) воспроизведением известных результатов в тех предельных случаях, ис-
следование которых проводилось ранее другими авторами, (3) согласием с имеющимися экспериментальными данными.
Практическая значимость работы определяется необходимостью развития теории и вычислительных методов описания взаимодействия релятивистских частиц с кристаллами. Результаты могут быть использованы в процессе анализа и интерпретации экспериментальных данных и планирования будущих экспериментов, имеющих целью создание новых источников рентгеновского и гамма-излучения, необходимых во многих областях физики.
Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2007 - 2011), на международных конференциях «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» (Ferrara, Italy, 2008, 2010), на конференциях по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям (Харьков, Украина, 2008 - 2011), на Международных симпозиумах «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (Прага, 2007; Звенигород, 2009; Egham, UK, 2011), на международной конференции «Computer Simulation of Radiation Effects in Solids» (Краков, Польша, 2010), на международной конференции «Quantum Electrodynamics and Statistical Physics» (Харьков, Украина, 2011) и опубликованы в 10 печатных работах, в их числе 7 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ.
Личный вклад соискателя состоит в (1) выполнении основной части аналитических вычислений и оценок порядков величин ожидаемых эффектов, (2) разработке программного обеспечения и выполнении компьютерного моделирования некогерентного тормозного излучения быстрых частиц в кристалле, (3) написании текстов статей.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Найдены условия появления в спектре когерентного тормозного излучения электронов ультравысокой энергии (несколько сот ГэВ) в кристалле дополнительных максимумов, интенсивность излучения в которых сравнима с интенсивностью в основных максимумах спектра когерентного излучения в кристалле.
-
Разработана процедура моделирования некогерентного излучения релятивистских электронов и позитронов в кристалле, основанная на квазиклассических формулах теории тормозного излучения. С помощью данной процедуры показано, что интенсивность некогерентного излучения определяется особенностями движения частиц в кристалле (такими, как каналирование и надбарьерпое движение) и может существенно (более чем на 50%) отличаться от интенсивности излучения в аморфной среде. Этим объясняется наблюдавшаяся на эксперименте зависимость выхода тормозного излучения электронов с энергией порядка 1 ГэВ в жесткой области спектра от ориентации кристалла относительно пучка.
-
Результаты моделирования некогерентного излучения как электронов, так и позитронов в синусоидально изогнутом кристалле демонстрируют существенное ослабление ориентационной зависимости интенсивности некогерентного излучения. Это позволяет сделать вывод о существенном увеличении скорости деканалирования частиц вследствие деформации кристалла, что затрудняет использование таких кристаллов в качестве ондуляторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации (включая рисунки и список литературы) составляет 127 страниц. Диссертация содержит 32 рисунка и список литературы - 132 наименования.
