Введение к работе
Актуальность проблеми. Процессы взаимодействия коротковолнового излучения и частиц с кристаллами характеризуются большим разнообразием конкретных механизмов. Существенное влияние на особенности поглощения, излучения и рассеяния фотонов оказывает их энергия /частота/, поляризация, степень когерентности в ансамбле, а также то, с какими элементами кристаллической структуры /ядра, связанные атомные электроны, свободные электроны, молекулы, упорядочений или хаотически расположенные совокупности атомов и т.д./ происходит взаимодействие.
В зависимости от сочетания конкретных условий взаимодействие может быть как парным /поглощение фотона атомом/, так и коллективным /рассеяние в условиях дифракции/. Особенности взаимодействия зависят от термодинамических характеристик как отдельных атомов и ядер /равновесное или неравновесное, например - инвертированное состояние/, так и их ансамблей /в частности, локальной температуры и колебательного состояния отдельных групп атомов или решетки в целом/.
Такое же разнообразие соответствует процессам взаимодействия частиц с кристаллаг.іи. Наряду с исключением некоторых невозможных при этом явлений /например, эффекта вынужденной генерации для нейтронов, являющихся фермнонами/, совокупность процессов взаимодействия приобретает, как правило, еще большее разнообразие из-за наличия независимых каналов реакций.
Наличие кристаллической упорядоченной структуры приводит к появлению ряда существенных дополнительных условий, видоизменяющих интенсивность многих явлений.
Как правило, наибольший интерес для приложений имеют явления, сущность или характер протекания которых связаны с когерентными /в пространстве или времени/ процессами. Большинство таких явлений носит пороговый характер_и они могут проявляться только при условиии 'удовлетворения определенной совокупности предварительно задаваемых условий /пороге/. Например, в задаче вынужденного излучения в порог, крк обязательное условие, входит требование достижения инверсии; в задаче об условии осуществления ядерного К-резонанса на основе эффекта Мессбаурра - требование использования холодной /температура не выше дебаевскон/ матрица и yvpcHHo низкой гнергнн ^-перехода и т.д.
Очень часто совокупность пороговых условий настолько жесткая и трудновыполнимая, что порог практически не может быть достигнут
В настоящей диссертации из всего многообі азия процессов, связанных с взаимодействие квантов и частиц с веществом, рассі.іотрєн круг явлений, присущих /в основном или исключительно/ излуча-тельным электромагнитным процессам спонтанного или вынужденного типа /в том числе в задаче ^-лазера/ и каналированию в кристаллах и характеризующихся допороговыгли /по всем параметрам и предпосылкам/ и когерентными характеристиками.
Проблема создания оптимальных источников когерентного коротковолнового излучения рентгеновского и JJ-диапазона является, безусловно, одной из центральных проблем современной радиационной физики. Хорошо известно, что все имеющиеся источники излучения в диапазоне длин волн/Іг 0,1-10 А являются генераторами слабокогерентного или чисто шумового излучения. Очевидно, что осуществление систем генераторов жесткого когерентного излучения лазерного типа может в итоге привести к столь же фундаментальным изменениям в технике и технологии, как это имело место при создании лаазров видимого диапазона, для которых 30 лет развития были годами все более широкого использования. Несмотря на то, что проблема создания лазера жесткого излучения /проблема JJ-лазера или газера/ на много порядковlсложнее, чем это было с оптическим лазером, перспективы когерентной и активной ^-спек-троскопии, рентгеновской и у-голографки, приборного использования, рентгеновской микролитографии для микроэлектроники, управляемого воздействия на ядерные реакции и множества других прило-. жений стимулируют неубывающий интерес к этой проблеме.
Другая группа явлений, относящихся к исследованию возможностей и способов реализации каналированного ориентационного движения нейтральных частиц и рентгеновских / % /-квантов также имеет свою естественную предысторию.
Значительные успехи физики, техники и приложений явления ка-налировакия заряженных частиц в кристаллах явно сткмулир;. ят поиск реальных механизмов обеспечения аналогичного режима ориентационного движеніш для нейтральных частиц. На основе явлений ка-налирования и квазиканалирования было бы возможно создание тдердотельно-аналоговых систем фокусировки, транспортировки и г.пнохрсматизйцгі; нейтронов, создание внутрикрпетгл^ичнемче нсіі-троннкх и злсктр01>!япц*т1!ых /для рентгеновских її у-кза.чтов/ на-
2,
копителей и резонаторов. Каналировашше ре:шли движения частиц и квантов позволили бы обеспечить множество ядьрнофиэичьских задач селективного воздействия на атоми и ядра строго определенного типа кз числа всех имеющихся в кристалле. Можно также указать на возможность использования явлення каналирования нейтральних частиц и квантов при решении структурных задач.
Палію работы является исследование условий проявления, конкретних механизмов, физических моделей и возможных путей реализации доиорогошх когерентных процессов при спонтанное л вынужденной излучении и поглощении рентгеновских и у-квантов, а такие при каналировании квантов, заряженных и нейтральных частиц в кристаллах..
Под допороговыми ниже понимаются процессы аналогового типа, присущие /в основном в силу упорядоченной микроструктуры/ и протекающие в кристаллической среде в сочетании с управляемым внешним воздействием при совокупности условий и требований /плотность из качки, плотность тока или потока частиц, размеры и температура активной среды, энергия частиц и частота излучения и т.д., а также совокупность этих xajэктеристлк/, существенно менее критичной и более слабой-/долсрогевой/, чем это имеет место без учета специфических особенностей резонансного и когерентного характера взаимодействия в твердотельно-аналоговых процессах по схемам и на основе моделей., типичных и традиционных для идентичных явлений в оптике, физике твердого тела, квантовой электронике, атомной и ядерной физике.
В соответствии с целью были поставлены основные задачи работы:
исследовать влияние механизмов сверхтонкого межатомного /ме.улдерного/ взаимодействия, низкой температуры матрицы и ее поляризации на условия осуществления процесса вынужденного '([-излучения в системе мсссбауэровских ядер в кристаллах;
изучить особенности протекания вынузденного Jf-усиления на основе па]пметрического трехволнового взаимодействия в резонансной среде при некогерентной /в пространстве и времени/ параметрической рентгеновской fr-накачко и наличии инверсии среди на частоте холостой волны, лежащей в видічшм диапазоне;
исследовать особенности движения и взаимодействия релятивистских заряженных частиц при когерентном каналировании в сверхтонких кристаллах; . .-
рассмотреть особенности, движения, а такта спонтанного и яи-
нужденного излучения релятивистских позитронов в пустотелых каналах цеолитов и волокон асбеста;
изучить особенности движения и квазихарактеристического излучения электронов при каналкровании в системе заряженных плоскостей (ill) в ионном кристалле Li Н ;
исследовать особенности взаимодействия быстрых электронов о приповерхностными полями, вызываемыми ультразвуковой модуляцией упорядоченных или хаотических доменных систем сегиетоэлект-риков и ферритов;
рассмотреть и изучить спектральные и амплитудные особенности резонансного взаимодействия ^-излучения с jf-переходами в ядрах, входящих в состав твердого тела, в котором возбуждена интенсивная ультразвуковая волна;
исследовать возможностью изучить характеристики магнитного каиалирования нейтронов в однородных и многодоменных ферромагнетиках , а также в немагнитных кристаллах;
изучить возможность и рассмотреть особенности "оптического" каиалирования неіітронов в кристаллах за счет использования ядерно-нейгроннчго механизма взаимодействия Ферми;
исследовать возможность реализации каиалирования рентгеновских и Jf-квантов в совершенных кристаллах и кристаллах с микродефектами ;
изучить особенности когерентного взаимодействия и исследовать условия каиалирования в кристаллах нейтральных частиц /в том числе без собственных электрических и магнитных моментов/
с внутренними электромагнитными резонансами.
Научная новизна. В работах, лежащих в основе диссертации: I. Впервые поставлена и с единых позиций исследована проблема реализации допорогового рентгеновского / /-усиления на основе системы мессбауэровеких ядер и резонансных атомов. В частности, рассмотрены возможности осуществления такого усиления в системе свободных атомов при низкой и высокой энергиях У-излучения и разных температурах, впервые исследована проблема допорогового ^-взаимодействия в упорядоченной и произвольной системах поляризованных ядер, а также проведен анализ впервые предложенной модели непорогового нелинейного параметрического TJ-усилителя л 'оптически инвертированной среде о когерентной или шумовой некогерентной /в пространстве и времени/ высокочастотной рентгеновской или у-накачкой.
-
Впервые исследованы особенности движения позитронов и их допорогового радиационного излучателъного взаимодействия при каналировапии в цеолитах и в микроволокнах асбестов.
-
Предсказан и исследован новый, но известный ранее Э'14ект высокочастотной силсмоду.ляции пучка частиц при когерентном каналировапии в сверхтонких каналах.
-
Впервые обнаружен и исследован не известный ранее и не имеющий аналогов трфект инверсии потенциальной ямы /для полили-тельно заряженных частиц - бартера/ водородеодерхаших кристаллических плоскостей fill) в kj ксталле LI Н в потенциальный dupi.ep /соответственно - яму/ при канплироЕании отрицательно и положительно ян[ я-їєшшх частиц.
-
Впервые исследовали особенности движения и излучения быстрых заря;кешшх частиц при их пролете около поверхности сегнето-олектрпков или ферромагнетиков, в которых возбуждена кльтразнуковал волна. Лри атом обнаружена возможность получения квазикогерентного излучения даже в случае использования случайных по ориентации и величине доменов в магнитных кристаллах.
-
Впервые, предложен и исследован динамический аналог эсиректа Мессбауэра, имеющий место в существенно немессбауэровской области высоких энергий /частот/ излучения и температур решетки в случае возбуждения в последней интенсивного ультразвука. Показано, что этот эффект, приводящий к возможности резонансного взаимодействия ^-излучения с ядрами при поглощении и пепускании^меет место в случае кок когерентного, так и некогерентного ультразвука-
-
Впервые предложены и исследованы механизмы магнитного ка-Налпровапия нейтронов и других частиц с магнитным моментом как
в магнитных кристаллах, в которых возбуждена синхронная с частицей ультрязвуковгиг или спиновая волна, так и в немагнитных кристаллах /за счет когерентно-швингеровского взаимодействия/.
в. Впервые исследован механизм оптически-дисперсионного и ядерно-нейтронного каналировпния и квазиканалирования рентгеновского / % /-излучения и нейтронов как в кристаллах с микроспадами произвольно малой ширины, так и в совершенных однородных монокристаллах. Изучены аномальные особенности каналнрояания месобпузревокого ft-излученкя в кристаллах с Jf-резонансными ядрам".
9. Впервые предложен и исследован дисперсионно-градиентный механизм каналировання в кіметаллах нейтральных частиц с рлект-
роннши пли другими внутренними электромагнитными резонансами. Защищаемые положения:
-
Беспороговая квантовоториозная самомодуляцпя пучка частиц гц)и когерентном каналпрованмі в сверхтонких кристаллах.
-
Инверсия потенциального барьера ІГ плоскости типа /III/ в кристалле LlH в потенциальную яму.
-
Увеличение вероятности ядерного У-резонанса в иемессбауэ-ровскоГі области при возбуждении интенсивного ультразвука в . твердотельной ^-резонансной среде.
-
Генерация коротковолнового излучения с увеличенной относительной монохроматичностью в статистическом многодоменном модулированном микроондуляторе.
-
Модели, механизм и теория:
а/ допорогового когерентного усиления в рентгеновском и Jf-диапазонє б/ магнитного каиалированпя нейтронов и других частиц с магнитным
моментом; в/, иидуцированно-дисперсионного каналированкя нейтральных частице внутренним электромагнитным резонансом; г/ плоскостного оптического каналлрования и квазиканалнрования ^-квантов и нейтронов в совершенных монокристаллах и кристаллах с микроканалами.
Обоснованность и достоверность основных результатов диссертации определяется тем, что получение всех итоговых соотношений проведено с использованием строгих и последовательных математических методов на основе фундаментальных уравнений квантовой механики, квантовой электродинамики, оптики, физики твердого тела, квантовой радиофизики. Вводимые при необходимости в уравнения феномене-, логические параметры соответствуют величинам, наблюдаемым или следуемым из достоверных оксперкментов. Значительная часть выводов диссертационной работы подтверждена независимыми от щ оведенпых аналитических расчетов результатами численного моделирования на ЕШ или результатами экспериментов.
Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации и лежащие в ее основах результаты по моделированию и теоретическому исследованию когерентных допороговых процессов представляют самостоятельный научный и практический интерес. Он обусловлен, как минимум, двумя обстоятельствами.
Бо-псрвнх, они наган с точки зрения обще!'; постановки проблеми
доіюрогогюго когерентного радиационного взаимодействия излучения и частиц с кристаллами, а также получения и исследования ряда общих принципов этой проблемы.
Бо-вторых, ценность результатов связана с возможностью практического использования решения многих конкретних задач и приложений, найденных или развитых в ходе работы.
Полученные результаты могут случить основой для разработки и создания конкретних систем генераторов вынужденного излучения, прецизионной рентгеновской и }f-спектроскопии, систем формирования и управления потоками нейтральных частиц и квантов, а также могут бить использованы для улучшения характеристик приборов когерентной оптики видимого диапазона.
В частности, эффекты подавления резонансного самопоглощения жесткого излучения за счет явлення квантовой отдачи и поляризационного вымораживания в электронном обменном поле в ядрах антиферромагнитного типа в проблеме гааера могут быть использованы при создании високоактивних ^-источников и для регистрации прецизионных эффектов ядерной спектроскопии. Явление параметрического нелинейного взаимодействия в оптически инвертированной среде может быть применено при создании систем J-визуализации. Аномальные характеристики излучательных процессов при каналиро-вании позитронов в цеолитах и асбестах могут найти применение как для изучения свойств самих кристаллов, так и при создании оптимальних квазикогерентных источников спонтанного излучения с резко усиленным квантовым выходом.
Явление квантово-тормозной сямомодуляции частиц в режиме когерентного кан.члирования, кроме использования в системах генераторов когерентного излучения, может также найти применение и дуга высокочастотной самоглодуляцни каналируемых пучков нейтральных частиц /в частности - нейтронов/. Последний эффект может быть использован для изучения особенностей протєкашш, напршлєр, ядерных реакций с участием нейтронных пучков с высокочастотной модуляцией. Особое значение такие исследования имеют :. -;'-в- -.том случае, когда период модуляции короче длительности ядерно-нейтронной реакции /например, типа (71,) /.
Результаты исследования по взаимодействию заряженных частиц с легкими ионными кристаллами могут Сыть использованы для, например, определения степени ионности межатомной связи или для оптимизации ядерных реакций на основе d({,(Li взаимодействий
в кристалле ill) .
Впервые предсказанный и исследованный динамический ядерный X-резонанс при высокой энергии излучения и при наличии интенсивного ультразвукового возбуждения матрицы может быть использован во всех процессах и приложениях, которые реализуются в области низких энергий ^-излучения с помощью обычного эффекта Мессбауэ-ра. Кроме того, он позволяет использовать гораздо больший набор ядерных изотопов, п которых нет ft-переходов с подходящими параметрами в более мягкой части ft-спектра, что необходимо для обычного эффекта Мессбауэра, но есть переходи в более жестком диапазоне.
Явление генерации квазикогерентного излучения при движении заряженных Частиц около поверхности сегнетоелектрика /ферромагнетика/ с ультразвуковым возбуждением может быть использовано для анализа типа доменной структур., и ее характеристик.
Очень широкий круг физических моделей и решений задач, связанный с проблемой каналирования нейтральных частиц и квантов в кристаллах может бить использован для управления эффективностью ядерных реакций t участием каналируемых частиц, для прямых и обратных задач структурного анализа, для селекции и монохромати-аации пучков, для создания накопителей частиц и т.д.
Формулировка направления. Рассмотрение совокупности предложенных и исследованных моделей в сочетании с их теоретическим анализом и изучением особенностей функционирования, а также общим идейно-модельным подходом ко всему кругу задач позволяет охарактеризовать весь цикл используемых в диссертации работ и подходов как новое научное направление - физика допороговых процессов при когерентном поглощении, излучении и каналировании коротковолновых квантов и частиц в кристаллах-.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на следующих международных и всесоюзных конференциях:
24 Совещании по ядерной .спектроскопии и структуре атомного ядра /г.Харьков, 1974 г./,IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике /г.Ленинград, 1978 г./, ІУ Всесоюзной конференции по физическим основам передачи информации лазерным излучением /г.Киев, 1976 г./, 4 Советской гравитационной конференции /г.Ьіинск', 1976 г./, Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений /г.Харьков, 1979 г./, УІ Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излу-
чения с веществом - ЕУФ-82 /г.Москва, 198^ г./, международной конференции "LuSee-81" /США, г.Нью-Орлсан, 1981 г./, Всесоюзном совещании по использованию синхротронного излучения СИ-82 /г.Новосибирск, 1982 г./, И всесоюзном совещании по методам и аппаратуре для исследования когерентного взаимодействия излучения с веществом /г.Ереван, 1982 г./, Ш Всесоюзном совещании "Когерентнії е взаимодействия излучения с веществом" /г.Ужгород, 1985 г./, ХЇІ, ХУП, ХЯІ1, XIX, XX, XXI Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряжениях частиц с кристаллами /г.Москва,. I98S -1991 гг./.ХШ Всесоюзной конференции по радиационной физике и химии ионных кристаллов /г. гига, 1986 г./,УШ Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердил телом" /г.Москва, 1987 г./, XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмисионной электронике /г.Киев, 1987 г., г.Ленинград, 1991 г./, 'I и II Всесоюных совещаниях по прикладной моссбауорозской спектроскопии /г.Калинин, Ї983 г., г.Казань, 1990 г./, Межреспубликанской конференции "Динамическое рассеянно рентгеновских лучей в кристаллах с динамическими и статическими искажениями" /г.Meгри, Ари.ССР, 1988 г./, ІУ Всесоюзном совещании по когерентному взаимодействии излучения с веществом /г.Грмала, 1988 г./ Международной конференции по применение эффекта Мессбнуэра /ІСАМЕ-В9/ /г.Будапешт, 1989 г./, 9 Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" /г.Москва, 1989 г./, ІІІ Совещании по Всесоюзной комплексной программе "Рентген" /г.Черновцы, 1989 г./, Международном симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их применение" /г.Самарканд, 1990 г./, Международной конференции "Аномальные ядерные эффекты в дейтерировашшх твердых телах" /США, г.Прово, 1990 г./,. а такте на ряде республиканских конференций и на научных семинарах в МТУ, ИМИ, МИФИ, 11АЭ им. И.В.Курчатова, ИФТТ /г.Черноголовка/, ин-те физич.проблем /г.Москва/, Киевском, Белорусском, Казанском и Ереванском университетах, ИФАН УССР, 11ТФ АН УССР,
По материал диссертации опубликовано 89 печатных работ, в том числе издана I монография и получено 8 авторских свидетельств. Основное содержание диссертации с достаточной полнотой изложено в G8 опубликованных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на ;;97 стр. машинописного текста, включая 19 рисунков. Список литературных источников содержит I2G наименований
