Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В процессе излучения быстрьж заряженньж частиц в конденсированной среде могут проявляться интерференционные эффекты, значительно изменяющие характеристики излучения по сравнению со случаем взаимодействия быстрой частицы с изолированным атомом.
Наибольший интерес представляют процессы излучения релятивистских электронов в периодических средах, поскольку при этом возможно резкое увеличение выхода излучения в определенных спектральных и угловых областях, благодаря конструктивной интерференции элементарных волн, испущенных излучающей частицей с различных элементов периодичности.
Указанная конструктивная интерференция разрушается, благодаря влиянию многократного рассеяния излучающих электронов. При этом вьжод когерентного излучения уменьшается, что выдвигает проблему корректного учета влияния многократного рассеяния на излучение. Исследования по данной проблеме проводятся на протяжении многих лет, однако в последнее время сложился ряд противоречий между традиционной теорией и данными некоторых экспериментов. Например: теория когерентного тормозного излучения (КТИ) релятивистских электронов в кристалле предсказывает уширение спектра КТИ в сторону уменьшающихся значений энергий излучаемых квантов под действием многократного рассеяния; эксперимент же показывает уширение в сторону возрастающих энергий квантов. Противоречия имеют место и в физике параметрического рентгеновского излучения (ПРИ) и в физике излучения ка-налированных частиц.
Эти противоречия сдерживают развитие теории и эксперимента в указанных областях, поэтому детальный анализ физических причин обсуждаемых противоречий и соответствующее развитие теории являются весьма актуальными. ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является исследование особенностей влияния многократного рассеяния на процессы КТИ и ПРИ релятивистских электронов в кристалле, позволяющих снять сложившиеся противоречия между теорией и экспериментом.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
Влияние многократного рассеяния на рентгеновское КТИ слабо релятивистских электронов.
Интерференция КТИ и переходного излучения релятивистских электронов, движущихся в кристалле в режиме случайных столкновений с атомными цепочками.
Особенность эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала в ориентированных кристаллах.
Относительный вклад параметрического и дифрагированного тормозного излучения в формирование вьжода ПРИ. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в том, что в ней:
Впервые дано аналитическое решение задачи о спектре жесткого коллимиро-ванного КТИ слаборелятивистских электронов в кристалле с учетом многократного рассеяния, на основе которого объяснен экспериментально обнаруженный эффект сдвига максимума в спектре КТИ в сторону больших энергий фотонов.
Впервые получено аналитическое решение задачи о спектрально-угловом распределении излучения релятивистских электронов в тонком кристалле с учетом вкладов переходного излучения и КТИ, а также интерференции между ними. На основе полученного решения предсказано аномальное проявление эффекта Тер-Микаэляна в
РОС НАЦИОНАЛЬНА*) БИБЛИОТЕКА I
КТИ, ряд особенностей в спектре коллимированного и неколлимированного излучения, обусловленных когерентным азимутальным рассеянием электронов на цепочках атомов, а также объяснена физическая причина обнаруженного экспериментально интенсивного излучения каналирующих электронов в области энергий фотонов, значимо меньших характерной энергии излучения при осевом каналировании.
Впервые предложена простая аналитическая модель эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала в КТИ ультрарелятивистских электронов в кристалле, предсказывающая резкое отличие характера проявления эффекта в кристалле и в аморфной среде.
Впервые вычислено угловое распределение ПРИ релятивистских электронов в кристалле, корректно учитывающее вклад дифрагированного тормозного излучения. На основе полученного решения выявлены условия, при выполнении которых вклад этого механизма излучения может быть определяющим, и дано физическое обоснование экспериментальных результатов, показывающих существенность обсуждаемого вклада.
ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных в диссертации результатов обеспечивается применением апробированных методов математической физики, аналитической формой большинства результатов, позволившей осуществить предельные переходы к полученным ранее хорошо известным результатам, ясной физической интерпретацией всех конечных результатов проведенного анализа, согласием основных результатов с данными соответствующих экспериментальных измерений. ПРАКТИЧЕСКАЯЗНАЧИМОСТЬ:
Результаты анализа влияния многократного рассеяния на КТИ слаборелятивистских электронов показывают перспективу использования электронных пучков с энергией порядка 10 МэВ для эффективной генерации квазимонохроматического ренггеновского излучения с энергией порядка 100 кэВ на основе механизма КТИ. Приведенные формулы позволяют осуществить корректный выбор мишени-радиатора и рассчитать основные характеристики источника излучения.
Результаты анализа когерентного излучения релятивистских электронов, движущихся в кристалле в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, теоретически обосновывают установленную экспериментально возможность генерации в данном режиме рентгеновского излучения с интенсивностью, на порядок превышающий фон Бете-Гайтлера и дают основу для количественного описания характеристик источника квантов в области энергий порядка сотен кэВ.
Результаты анализа процесса ПРИ релятивистских электронов в кристалле позволяют рассчитать характеристики источника рентгеновского излучения на основе ПРИ в условиях существенного вклада дифрагированного тормозного излучения. Развитая теория показывает рост угловой плотности полного излучения в рассматриваемых условиях, что согласуется с данными выполненных измерений. ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1. Показано, что спектр КТИ электронов с энергией порядка 10 МэВ уширяется под действием многократного рассеяния в сторону возрастающих значений энергии излучаемых квантов. Данный эффект, не проявляющийся в излучении ультрарелятивистских электронов, объясняет неожиданные результаты ряда выполненных экспериментов.
Установлено резкое отличие характера проявления эффекта Ландау Померан-чука-Мигдала в кристалле и в аморфной среде.
Показано, что спектрально-угловые характеристики излучения релятивистских электронов, движущихся в кристалле в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, определяются вкладами КТИ электронов на цепочках и переходного излучения, а также интерференцией этих механизмов. Развитая теория предсказывает аномальное проявление эффекта Тер-Микаэляна в излучении, а также объясняет природу обнаруженного недавно интенсивного рентгеновского излучения электронов, движущихся вдоль оси атомных цепочек кристалла.
Вычислено угловое распределение ПРИ релятивистских электронов в кристалле, учитывающее вклады виртуальных фотонов кулоновского поля электрона и свободных фотонов тормозного излучения этого электрона. Показано, что в области параметров, в которой проявляется ЛПМ эффект и подавлен эффект Тер-Микаэляна, вклад дифрагированного тормозного излучения может быть определяющими.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты настоящей диссертации апробированы на XXXIII международной конференции по физике взаимодействия заряженньж частиц с кристаллами, Москва, 2003; на VI международном симпозиуме " Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures 03", Томск, 2003; на XXXIV международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2004; на международной конференции " Many- Particle Effects in Radiation Physics 04", Белгород, 2004.
