Введение к работе
Актуальность проблемы. Электромагнитные процессы, протекающие при взаимодействии заряженных частиц с кристаллами, в последнее время все более привлекают внимание исследователей. Это обусловлено обнаружением таких важных для теории и практики эффектов, как излучение каналированных частиц [2]; поворот пучка заряженных частиц больших энергий изогнутым кристаллом [4]; генерация интенсивного электромагнитного излучения в условиях над-барьерного движения и рождение е*е"-пар в кристаллических полях. Причем, превышение вероятности рождения е*е"-пары и интенсивности излучения в кристаллических полях по сравнение с вероятностями соответствующих процессов в аморфной среде достигает десятков раз (в зависимости от вещества)! Современный этап исследований характеризуется выходом в область сверхвысоких энергий Е-и-юоо ГэВ, где излучение носит существенно недипольный характер, а квантовые эффекты отдачи начинают играть существенную роль.
Прогресс последних лет, достигнутый в исследовании свойств базисных квантовоэлектродинамических процессов при сверхвысоких энергиях в ориентированных кристаллах, в значительной степени обязан двум, хорошо изученным предельным случаям - приближению постоянного поля (cfa) [см. например 5] и приближению когерентной теории [і], ста достаточно хорошо описывает процесс излучения (или рождения пар) при условии, что угол падения пучка частиц по отношению к выделенной системе кристаллографических осей в значительно меньше угла еь (где еь=|ио|/тог, а ио - глубина потенциала цепочки атомов) в том случае, если энергия падающей частицы E»m2eVluol- В случае очень больших углов падения е»0ь в высокой надбарьерной области достаточно хорошо работает когерентня теория. Попытки же описать интересную переходную область углов в-еъ (достаточно широкую, как показывает анализ) осуществлялись на основе использования ограниченных модельных представлений (см. например [3] и цитированную там литературу), которые не позволяют дать сколь нибудь полного количественного описание всех особенностей сложной картины спектров частиц, рождающихся в низкой надбарьерной области.
Нарушение условий применимости теории когерентного тормозного излучения (КТИ) в монокристалле (ввиду существенного отклонения траектории частицы от прямолинейной на длине когерентности процесса) в области, где расположены резонансы. возникает для углов в < ел ~ (га/а^)1'2^ (Е), где а - расстояние
между ближайшими атомными цепочками, атг - радиус экранировм Томаса-Ферми отдельного атома, 0с=(2 |uq |/Е)1/г- критический yroj Линдхарда. (Оценка для случая рождения пар дает то же самое условие). Для сверхвысоких энергий во многих интересных случая} в <в. Потребовав, чтобы е из условия См>= (i+d/4niA це)'1 (где
db гее с -
=ьш/Е) на положение когерентного осевого (для определенности) резонанса в спектре излучения оказалось меньше, чем е мь получим, что для энергии
Е * v« - ^(щЬгтГ if
осевые когерентные резонансы с частотой возникает при угла? е*еь. Это означает, что мы не можем по прежнему пользоватьсі формулами когерентной теории в этой области поскольку, при е*е характерный угол отклонения электрона в поле цепочки дегі/у. Поэтому, адекватное описание свойств э'-излучения (и рождеши е*е"-пар) в этих условиях требует выхода за рамки когерентної теории (как стандартной [1], так и-модифицированной [$3.8 в 5]). ( другой стороны то, что е<еь вовсе не означает возможності описания когерентных резонансов в излучении в этих условиях < помощью приближения постоянного поля, даже при учете поправої ~(е/еь)г, расширяющих рамки cfa (см. 517 в (5)), поскольку сответствующее разложение, является ,локальным и не содержи: эффектов когерентного влияния соседних атомных цепочек.
Этим определяется актуальность развития методов теоретического описания процессов і - излучения и фоторождения е*е~- пар в кристаллах, основанных на точном интегрировании уравнений движения частиц в потенциале кристалла и их использовании в точны: соотношениях квазиклассического операторного метода (поскольк; именно квазиклассический метод наиболее быстро приводит к нужны) результатам при сверхвысоких энергиях частиц). Методов, которые были бы универсальными с точки зрения их применимости при любої отнесении в/вь в широкой интервале энергий падающих частиц.
Целью настоящей работы является теоретическое изучение особенностей процессов і - излучения суперрелятивнетекш электронов (ИСЭ) и рождения е*е~- пар жесткими 7- квантами (РЭПП: в ориентированных кристаллах в широком интервале энергий падаюши: на нищень частиц (начиная с Е-50 ГэВ и выше) и в широкой області углов между их импульсом и направлением систем кристаллографических осей и плоскостей, начиная от нуля, где справедливі приближение постоянного поля, и кончая углами, на несколькі порядков превмлающіх угол еь, где справедливо приближенш
огерентной теории. (Вклад некогерентного Бете-Гайтлеровского іеханизма учитывается, при необходимости, прямым прибавлением).
Научная новизна. Развит универсальный метод теоретического -писания спектральных и интегральных (полные потери энергии на :злучение и интегральные вероятности рождения е*е"-пар) характе-шстик процессов ИСЭ и РЭПП в "тонких" кристаллах, базирующийся іа точном интегрировании уравнений движения частиц в потенциале :ристалла (построенном из непрерывных, взятых в приближении [ойля-Тернера потенциалов кристаллических осей) и их использова-пш в точных соотношениях в рамках квазиклассического операторно-о метода Байера-Каткова. Развитый метод применим вне зависимости it отношения е/еь в широком интервале начальных энергий частиц начиная с Е~50 ГэВ и выше). На его основе впервые: ) Получены спектры РЭПП в "тонких" кристаллах и исследованы :войства присущих этим процессам когерентных осевых и плоскостных >езонансов в условиях перехода от осевой ориентации мишени к їлоскостной. Обнаружено разительное отличие формы спектров от іредсказнваемой как cfa, так и когерентной теорией в переходной ібласти углов. Выявлены основные закономерности процессов РЭПП в іадбарьерном режиме при сверхвысоких энергиях.
'.) Проведен теоретический анализ спектров ИСЭ в "тонких" кристаллах в условиях сильной конкуренции когерентных и магнитотормоз-шх эффектов с учетом высокочастотной части спектра. Обнаружены' значительные количественные отклонения в спектрах в низкой над-5арьерной области от предсказываемого cfa и теорией КТИ. Исследованы свойства когерентных осевых и плоскостных резонансов, юзникающих в излучении при переходе от осевой ориентации крнстал-іа к плоскостной. Изучены основные закономерности надбарьерного r-излучения в том числе и для жёсткой части спектра. і) Дано систематическое количественное описание спектральных и інтегральних характеристик процессов ИСЭ и РЭПП в поле ізолированной цепочки атомов. Из сравнения полученных результатов : результатами анализа указанных процессов в поле всего кристалла шделены эффекты, связанные с влиянием поля одной оси и с $лиянием поля кристалла, как целого.
В настоящей работе: і) термин "тонкие" кристаллы используется в том смысле, что множественность процессов I т. е. когда »лектроном излучается не один, а несколько фотонов,- например) не вчитывается (в дальнейшем кавычки мы будем опускать); 2) под «агнитотормозными эффектами (в обобщенном смысле) подразумевается see эффекты, связанные с искривлением траектории частиц.
Практическая ценность работы. Развитый метод дает правильное количественное описание спектров рождающихся е*е"-пар и у-квантов, в том числе и в низкой надбарьерной области углов осевой ориентации кристаллов, где соответствующие вероятности достигают своих наибольших значений и спектральные кривые имеют ряд интересных физических особенностей. Тем самым создана теоретическая основа для прогнозирования и обработки результатов экспериментов по изучению взаимодействия пучков частиц высоких энергий с ориентированными монокристаллами.
Основные положения диссертации, выносимые автором на защиту.
-
Универсальный метод теоретического описания спектральных и интегральных характеристик процессов у-излучения суперрелятивистских электронов и позитронов и рождения е*е"-пар жесткими у-кван-тами в тонких кристаллах, применимый вне зависимости от величины отношения в/вь .в широком интервале начальных энергий частиц (начиная от Е-50 ГэВ и выше);
-
Новые результаты теоретического анализа спектров РЭПП в тонких кристаллах в неисследованных ранее условиях перехода от осевой ориентации мишени к плоскостной. Основные закономерности процесса и свойства когерентных осевых и плоскостных резонансов в таких условиях;
-
Результаты теоретического анализа спектров надбарьерного ИСЭ в тонких кристаллах в условиях сильной конкуренции когерентных и магнитотормозных эффектов. Свойства когерентных осевых и плоскостных резонансов, возникающих в излучении при переходе от осевой ориентации кристалла к плоскостной.
-
Результаты теоретического анализа спектров ИСЭ и РЭПП в ситуации, когда частица движется в потенциале атомных плоскостей со сложной структурой осей.
Аппробация работы. Основное содержание работы докладывалось на научных конференциях Института Сверхпроводимости и Физики Твердого Тела РНЦ "Курчатовский институт" 1992, 1993 и 1994 гг.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литература и шести приложений. Общий объем - Х86 стр., включая 57 рис. и списка литература на 5 стр.
