Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время продолжаются работы по изучению процесса отклонения быстрых заряженных частиц изогнутыми кристаллами. Это связано с тем, что задача является актуальной из-за использования изогнутых кристаллов для управления пучками частиц на ускорителях, например, таком, как протонный суперсинхротрон в ЦЕРН. Объектом исследования являются результаты экспериментов, которые проводятся в физике высоких энергий. При проведении экспериментов регистрируются энергии, углы вылета, заряды, массы и т.д. больших ансамблей частиц (порядка 107 частиц за один сеанс). Метод компьютерного моделирования траекторий каналированных частиц является наиболее детальным методом анализа явления каналирования. В связи с этим разрабатываются алгоритмы и методы обработки для описания результатов экспериментов какой-то конкретной физической модели и комплексом моделей.
В ЦЕРН на протонном суперсинхротроне были получены результаты экспериментов (Scandale W., Vomiero A., Baricordi S. et al., 2008; Scandale W., Vomiero A., Bagli E. et al., 2009), которые к настоящему времени еще не получили своего адекватного описания. В этих работах выполнен эксперимент по отклонению протонов и 7Г~ - мезонов с энергиями 400 и 150 ГэВ, соответственно, изогнутым кристаллом кремния.
Использование SiPM-детекторов (кремниевых фотоэлектронных умножителей) является актуальным во многих сферах деятельности науки и техники, например в медицине (Llosa G., Belcari N., Bisogni M.G., 2007). Тем не менее спектры SiPM-детекторов со множественными пиками не описываются функцией распределения Ландау. Поэтому разработка методов и алгоритмов для обработки спектров данного типа является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы состоит в математическом и компьютерном моделировании осевого каналирования и потерь энергии быстрых заряженных частиц в кристаллах.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи: 1) разработка метода компьютерного моделирования траекторий каналированных частиц, который позволит реализовать один из принципов системного анализа, а именно: смену управления между управляющей и управляемой системами в точках, где изменение динамических переменных происходит случайным образом; 2) разработка программного комплекса для реализации алгоритма численного решения уравнения Фоккера—Планка в пространстве поперечных энергий быстрых заряженных частиц в осевых каналах с учетом изгиба кристалла, многократного рассеяния, начальной расходимости и конечного размера пучка частиц; 3) создание нового алгоритма обработки спектров с одним и множественными пиками, которые были получены с помощью SiPM-детекторов; 4) разработка программного комплекса для реализации нового алгоритма обработки спектров с одним и множественными пиками, которые были получены с помощью SiPM-детекторов.
Научная новизна и практическая значимость
Описанную в работе программу моделирования осевого каналирования заряженных частиц, основанную на решении уравнения Фоккера—Планка в пространстве поперечных энергий, можно использовать для анализа и планирования новых экспериментальных исследований по прохождению заряженных частиц в прямых и изогнутых ориентированных кристаллах. В первую очередь комплекс предназначен для ведущих ускорительных центров мира (ЦЕРН, Фермилаб, ИФВЭ, ПИЯФ, ОИЯИ) для решения задачи отклонения пучков быстрых заряженных частиц. Программный комплекс позволяет исследовать задачу отклонения быстрых заряженных частиц изогнутыми кристаллами с очень большой статистической точностью для случая осевого
и плоскостного каналирования. Это было достигнуто благодаря интерполированию непрерывного потенциала и коэффициента диффузии. Компьютерное моделирование, преследуя те же цели, что и эксперимент, имеет ряд преимуществ, такие как относительная дешевизна компьютерного эксперимента и возможность широкого варьирования параметров задачи. Также разработана программа SINSEL, которая основана на численном решении кинетического уравнения Ландау и позволяет описывать спектры с одним и множественными пиками. При фитировании спектров новым решением кинетического уравнения Ландау в программном комплексе SINSEL использовался алгоритм обработки графической информации, который позволяет распознавать спектр. Разработанный алгоритм можно использовать для сравнения результатов моделирования и эксперимента в последующих научно-исследовательских работах.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Предложен и реализован алгоритм численного решения уравнения Фок-кера—Планка в пространстве энергий поперечного движения быстрых заряженных частиц в осевых каналах кристалла с помощью метода компьютерного моделирования траекторий каналированных частиц.
-
Разработан программный комплекс TROPICS (Trajectory Of Particle In a Crystal Simulator) для моделирования траекторий движения быстрых заряженных частиц в осевых каналах кристалла, представляющий собой алгоритмическое наполнение модели движения заряженных частиц в осевых каналах кристаллов и позволяющий вести расчеты с высокой статистической повторяемостью.
-
Получено новое решение кинетического уравнения Ландау в виде ряда, каждый член которого имеет вид функции распределения Гаусса.
-
Разработан программный комплекс SINSEL (Simulator New Of Solution
Equation of Landau), который основан на новом решении кинетического
уравнения Ландау. Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
Научной сессии-конференции секции ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» ИТЭФ, г. Москва, 2009, 2011 гг.;
40, 41 Между народных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (г. Москва, МГУ, 2010, 2011 гг.);
20 Международной конференции «Взаимодействия ионов с поверхностью» (ВИП-2011) (г. Звенигород, 2011 г.);
V Международной конференции «Математические идеи П.Л. Чебыше-ва и их приложение к современным проблемам естествознания» (г. Обнинск, 2011 г.);
XII Международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров 2011» (г. Обнинск);
XVI научной конференции молодых ученых и специалистов ОМУС-2012. (г. Дубна, ОИЯИ);
Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области физических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки (г. Томск, 2011 г.);
X, XI окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (г. Сургут, 2009, 2010 гг.).
Количество работ - 8.
Публикации
Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в 2 статьях в журнале «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования» и в одной статье в журнале «Письма в ЖТФ», рекомендованных ВАК
Министерства образования и науки РФ; два свидетельства о регистрации программных комплексов TROPICS и SINSEL зарегистрированы в Роспатенте.
Личный вклад автора
