- 2 -
ВВЕДЕНИЕ
Синхротронное излучение (СИ) - излучение релятивистских электронов, возникающее при их движении по криволинейным траекториям в магнитном поле циклических ускорителей, представляет собой физическое явление, имеющее важное научное и прикладное значение. Являясь побочным продуктом процесса ускорения заряженных частиц до высоких энергий, синхротронное излучение оказывает существенное влияние на конструкцию и режимы работы ускорителей, а также определяет динамику движения и параметры ускоряемого в них сгустка заряженных частиц. Эти обстоятельства стимулировали проведение большого цикла теоретических и экспериментальных работ по изучению физических свойств этого излучения и его влияния на процесс ускоренияГ 1-8]. Следует отметить, что фундаментальный вклад в эти исследования, на всех этапах их развития, внесли советские ученые [1,4-9].
Результаты, полученные в указанных работах, показали, что синхротронное излучение обладает уникальными свойствами, кото-рте, как это впервые было продемонстрировано Томбулианом и Гартманом [10], позволяют считать синхротрон превосходным источником света в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Главными особенностями такого источника являются следующие:
1. Спектральное распределение излучения представляет собой континиум, простирающийся от инфракрасной до рентгеновской области спектра.
2. Интенсивность синхротронного излучения современных ускорителей в вакуумной ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской об-
- З -
ластях спектра превышает на несколько порядков интенсивность традиционных источников непрерывного и линейчатого спектра.
3. Излучение обладает острой направленностью. Расходимость излучения в вертикальной плоскости в направлении распространения составляет несколько миллирадиан.
4. Синхротронное излучение обладает высокой степенью поляризации. В настоящее время это единственный источник поляризованного излучения в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской области спектра.
5. Характеристики синхротронного излучения могут быть с требуемой точностью определены рассчетным путем.
6. Синхротронное излучение обладает уникальной временной структурой, определяемой параметрами высокочастотной системы ускорителя.
7. Синхротронний источник является чистым, так как испускание излучения происходит в высоком или сверхвысоком вакууме.
Перечисленные свойства и определили широкое использование синхротронного излучения в самых различных отраслях науки. В настоящее время излучение от синхротронов и накопительных колец используется в качестве инструмента в спектроскопии, физике твердого тела и физике поверхности, кристаллографии, биофизике и биохимии, фотохимии и катализе, биологии и медицине Гіі-Іб] . Важное значение имеет также использование синхротронного излучения в качестве радиометрического стандарта в широкой области спектра [173.
Применение синхротронного излучения во всех указанных областях с использованием как известных методик исследования строения вещества, так и вновь созданных, с учетом уникальных свойств
- 4 -
СИ, позволило получить ряд результатов, которые не могли быть достигнуты с использованием источников излучения, традиционных для данных областей.
Здесь следует сказать, что практическая реализация преимуществ синхротронного излучения оказалась непростой задачей. Эксперименты с СИ существенно сложнее аналогичных экспериментов с использованием газоразрядных ламп или рентгеновских трубок.
Эти исследования требуют создания специализированного оборудования, спектральной и измерительной аппаратуры. Необходимо также разработать экспериментальные методики и алгоритмы обработки получаемых результатов с учетом особенностей работы ускорителя. Однако возможности синхротронного излучения оказались столь широки и его использование столь перспективно, что на всех синхротронах и накопительных кольцах как в нашей стране, так и за рубежом, в конце 60-х в начале 70-х годов начали оборудовать каналы для работ с СИ.
Возникла необходимость для проведения такого рода работ и на синхротроне "Сириус" на 1,5 ГэВ НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М.Кирова. Экспериментальные исследования по изучению свойств синхротронного излучения в видимой области спектра, и по изучению влияния этого излучения на динамику движения ускоряемых электронов начали проводиться на синхротроне "Сириус" с момента его физического пуска в 1965 году [18,19}. В этих работах были исследованы спектральные, угловые и поляризационные характеристики синхротронного излучения при различных энергиях ускоренных частиц, и изучено влияние на эти характеристики динамики и параметров электронного пучка. Были также разработаны методики определения размеров ускоряемо-
- 5 -
го сгустка, амплитуд когерентных и некогерентных колебаний электронов в сгустке по синхротронному излучению и исследовано явление фазовой неустойчивости сгустков, возникающее при взаимодействии ускоряемых пучков с ускоряющей ситемой синхротрона [20-23].
Результаты данных исследований и явились основой при решении задач настоящей работы, главной целью которой было создание на синхротроне "Сириус" экспериментальной базы, позволившей использовать данный ускоритель в качестве мощного источника поляризованного излучения в вакуумной ультрафиолетовой области спектра и демонстрация возможностей такого источника при экспериментальном изучении оптических и фотоэмиссионных свойств твердых тел в этой спектральной области. Для достижения этих целей были решены следующие задачи:
1. С учетом особенностей в конструкции и режимов работы рассчитаны спектральные, угловые и поляризационные характеристики синхротронного излучения ускорителя "Сириус" на 1,5 ГэВ, проанализированы и оценены возможности данного ускорителя при использовании его в качестве источника вакуумного ультрафиолетового излучения.
2. На синхротроне "Сириус" создан комплекс специализированного оборудования и аппаратуры с автоматизированной системой управления для вывода, транспортировки, монохроматиэации и измерения параметров пучка синхротронного излучения, дающий возможность проводить эксперименты с СИ параллельно и независимо от исследований по физике высоких энергий.
3. Разработаны и построены высоковакуумные и сверхвысоковакуумные измерительные камеры для исследования оптических и фо-
- 6 -
тоэмиссионных свойств твердых тел, позволяющие проводить измерения угловых и поляризационных характеристик взаимодействия излучения с веществом.
4. С учетом импульсного характера работы синхротрона разработаны экспериментальные методики и алгоритмы обработки получаемых результатов измерений при исследовании спектров отражения, спектральной зависимости квантового выхода фотоэмиссии, спектров возбуждения люминесценции и фотоэлектронных спектров твердых тел.
После завершения решения вышеперечисленных задач по созданию экспериментальной базы для использования синхротронного излучения на синхротроне "Сириус" в вакуумной ультрафиолетовой области спектра, нами был проведен ряд экспериментальных работ, убедительно продемонстрировавших возможности данного источника и созданного оборудования:
1. Были исследованы спектры отражения и полученные из них оптические постоянные ниобия в области энергий 5*30 эВ с целью определения состояния его поверхности при различных способах ее технологической обработки.
2. В области энергий 12*30 эВ проведено экспериментальное исследование спектров возбуждения люминесценции кристаллофосфо-ров на основе вольфрамата и сульфида кальция с широким классом примесей, с целью изучения влияния примесей на интенсивность собственной люминесценции и выяснения роли примесей в процессах размножения электронных возбуждений, происходящих при высоких энергиях в кристаллах этих люминофоров.
3. Методами отражательной и фотоэлектронной спектроскопии выполнено экспериментальное исследование электронных возбуждений и процессов их размножения в кристаллах окиси магния при их вы-
- 7 -
сокоэнергетическом возбуждении.
Выбор перечисленных задач обусловлен различными причинами. Исследование оптических свойств ниобия, с целью определения состояния его поверхности, были выполнены в рамках программы работ по разработке технологии изготовления и исследования высокодобротных сверхпроводящих ниобиевых резонаторов, характеристики которых в сильной степени зависят от состояния поверхности. Поэтому изучение свойств поверхности ниобия и влияние на изменение этих свойств технологических процессов обработки при изготовлении резонаторов явилось важной задачей с практической точки зрения.
Исследование спектров возбуждения люминесценции кристалло-фосфоров СаХИ'Оч и Са5 , а также исследование электронных возбуждений и процессов размножения этих возбуждений в кристаллах окиси магния были выполнены в рамках договора о научно--техническом сотрудничестве в области использования синхротрон-ного излучения с Московским государственным университетом.
Целью исследований Сси\)УОч и Са£ являлся поиск люминофоров с наибольшей эффективностью. Такие люминофоры имеют практическое значение при изготовлении рентгеновских медицинских экранов и экранов электронно-лучевых трубок с повышенной разрешающей способностью.
Кристаллы окиси магния исследовались в связи с их перспективностью для создания вакуумного ультрафиолетового лазера с накачкой мощным пучком рентгеновского синхротронного излучения.
Другой причиной выбора столь достаточно широкого круга объектов и методов исследования явилось стремление наиболее полно продемонстрировать возможности созданной эксперименталь-
- 8 -
ной базы и преимущества синхротронного излучения для различного рода экспериментов по спектроскопии твердого тела и взаимодействию излучения с веществом в вакуумной ультрафиолетовой области спектра по сравнению с традиционными для этой спектральной области источниками и методиками.
В соответствии со сформулированными выше задачами, решаемыми в данной диссертации, построена и ее структура.
В первой главе дан расчет спектральных, угловых и поляризационных характеристик СИ синхротрона "Сириус". Проанализировано изменение этих характеристик в зависимости от режимов работы ускорителя. Проведено сравнение их с аналогичными характеристиками других источников синхротронного излучения в нашей стране. Из результатов проведенных исследований сделан вывод, что синхротрон "Сириус" является мощным источником непрерывного спектра вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения со степенью линейной поляризации в плоскости равновесной
орбиты электронов, достигающей 98%. Спектральная плотность
7 9/ ®
мощности этого излучения составляет величину 10 *10 эрг/сек*А в зависимости от длины волны, и сосредоточена в угле меньшем 3 мрад, отсчитываемом от плоскости орбиты.
Вторая глава посвящена описанию специализированного оборудования и аппаратуры, разработанных для работ с синхротронним излучением.
Здесь дан анализ особенностей оптической схемы установки на каналы СИ серийного вакуумного монохроматора ВМР-2, приводится расчет и описание конструкции монохроматора, разработанного специально для работ с синхротронним излучением, а также излагаются результаты экспериментальных исследований по опреде-
- 9 -
лению эффективности, волнового разрешения и калибровки этих спектральных приборов,
В этой же главе описана автоматизированная система, построенная на базе мини-ЭВМ "Саратов-2" с магистральной организацией подключения внешних устройств и созданного программного обеспечения. С помощью этой автоматизированной ситемы производится управление измерением спектров, первичная обработка полученных результатов, их документирование в виде таблиц и графиков или вывод на магнитную ленту внешнего кассетного накопителя.
Программное обеспечение этой системы реализует предложенные методики и алгоритмы измерения спектров взаимодействия излучения с веществом, исключающие влияние на результаты измерений нестабильности ускоренного тока, деформаций и смещений электронного пучка и изменения энергии в процессе цикла ускорения.
В третьей главе излагаются экспериментальные результаты, полученные с использованием синхротронного излучения. В ней приводятся данные по исследованию спектров отражения ниобия и расчета его оптических функций в области энергии 5+30 эВ. Эти исследования позволили определить оптимальные условия высокотемпературного высоковакуумного отжига при изготовлении из ниобия сверхпроводящих резонаторов, проверить состояние поверхности ниобия после электрохимической полировки.
Далее излагаются и обсуждаются результаты по изучению спектров возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и каль-цийсульфидных люминофоров в области энергий 12*30 эВ. Были измерены спектры возбуждения люминесценции кристаллофосфоров на основе вольфрамата кальция, активированного переходными сС --элементами (Сг,Мп, Рв, Co,Ni ), элементами У-группы с кон-
- 10 -
центрацией 10 г-атом/моль и редкоземельными элементами с концентрациями в пределах от 1СГ^ г-атом/моль до 10“^ г-атом/ыоль. Полученные результаты показали существенное влияние вида примесей и их концентраций на эффективность собственной люминесценции и могут быть рекомендованы для внедрения в техно-
логию изготовления рентгеновских медицинских экранов и экранов электронно-лучевых приборов с большой разрешающей способностью и повышенной чувствительностью.
Исследования спектров возбуждения кальцийсульфидных люминофоров показали зависимость эффективности таких кристаллофосфо-ров от условий препарирования и от концентрации активатора, которая имеет оптимальное значение.
В заключительном параграфе данной главы приводятся результаты по исследованию электронной структуры и процессов размножения электронных возбуждений в кристалле окиси магния методом отражательной и фотоэлектронной спектроскопии. Описывается методика измерения фотоэлектронных спектров, диэлектрических монокристаллов с компенсацией зарядки образца потоком низкоэнер-гетичных электронов. Результаты фотоэмиссионных исследований убедительно доказывают, что размножение электронно-дырочных пар в кристалле Мд0 связано с ударной ионизацией высокоэнергетическими первичными фотоэлектронами.
В заключении диссертации перечислены основные выводы, которые следуют из полученных результатов и определяют научную новизну и практическую ценность этой работы.
Используя эти выводы, можно сформулировать следующие основные положения, которые выносятся на защиту:
I. Количественные характеристики синхротронного излучения
- II -
ускорителя "Сириус” позволяют эффективно использовать его для экспериментальных исследований в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.
2. Созданное специализированное экспериментальное оборудование и аппаратура с автоматизированной системой управления полностью реализуют преимущества синхротронного излучения в экспериментах по изучению оптических и фотоэмнссионных свойств твердых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.
3. Предложенные экспериментальные методики и алгоритмы обработки результатов измерений исключают влияние на экспериментальные данные нестабильности параметров пучка синхротронного излучения, проявляющиеся вследствие импульсного режима работы ускорителя.
4. Полученные с использованием синхротронного излучения экспериментальные результаты по исследованию оптических свойств ниобия, после различных этапов его технологической обработки, показали существенную зависимость отражательной способности ниобия в вакуумной ультрафиолетовой области от состояния его поверхности, что позволяет определять наличие оксидного слоя на поверхности по виду спектра отражения и получаемым из него оптическим функциям.
5. Как показывают экспериментальные данные, эффективность собственной люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсуль-фидных кристаллофосфоров при возбувдении их в области энергий 12+30 эВ в значительной степени определяется видом и концентрацией примесей. В кальцийвольфраматных люминофорах примеси оказывают существенное влияние на процессы размножения электронно-дырочных пар.
- 12 -
6. Исследования кристалла окиси магния методами фотоэлектронной спектроскопии с использованием синхротронного излучения доказывают, что размножение электронных возбуждений в этих кристаллах происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [24,25,49,55,58,72,77-79,102-104,119,120] и обсуждались на Всесоюзных конференциях "Разработка и практическое применение электронных ускорителей" (Томск, 1972 и 1975 г.г.), на ІУ Всесоюзной конференции по спектроскопии вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения с веществом "ВУФ-75" (Ужгород, 1975 г.), на П Всесоюзном симпозиуме по активной поверхности твердых тел (Тарту, 1977 г.), на Всесоюзном семинаре по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом "ВУФ-78" (Ленинград, 1978 г.), на УІ Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978 г.), на научном семинаре, посвященном 10-летию Ереванского ускорителя (Ереван, 1978 г.), на Всесоюзных совещаниях по синхротронному излучению (Новосибирск, 1975, 1977, 1978, 1980 г.г.; Москва, 1979 г.), на Всесоюзных семинарах Комиссии по синхротронному излучению при Президиуме АН СССР (Москва, 1975, 1976,
1978 г.г.), на Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом (Москва, 1982 г.), на П Всесоюзном семинаре по автомати-%
зации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982 г.).
Диссертация выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики при Томском политехническом институте по откры-
ІЗ -
тому плану в рамках плана научных исследований АН СССР на 1976--1980 г.г. по теме: "Создание источников и использование синхротронного излучения для решения различных научных и прикладных задач", утвержденного Президиумом АН СССР 18.12.75 г. по согласованию с Госкомитетом при СМ СССР по науке и технике, а также по теме: "Создание оборудования, устройств и аппаратуры для проведения экспериментов с синхротронним излучением ускорителя на энергию 1,5 ГэВ, выполняемой по постановлению СМ РСФСР в рамках темы "Разработка ядерно-физических методов определения состава вещества" за № 630 от 28.П.75, № 611 от 12.И.76, № 625 от 15.12.77, № 560 от 19.12.78 и № 580 от 30.11.79 г.
- 14 -
ГЛАВА І
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СИНХРОТРОНА "СИРИУС"
І.І. Некоторые сведения о теории синхротронного излучения моноэнергетического электрона
В теоретических работах С 1,2,7,8.], посвященных рассмотрению свойств синхротронного излучения моноэнергетического релятивистского электрона, выведены форцулы, которые позволяют точно определить спектральные, угловые и поляризационные характеристики СИ при движении такого электрона по круговой орбите в постоянном и однородном магнитном поле.
Так, мгновенная мощность X (А,^) > излучаемая моноэнергети-ческим электроном в единичном интервале длин волн в окрестности длины волны ^ ив единичном интервале углов в окрестности угла 4у , отсчитываемого от плоскости орбиты, выражаются следующей формулой:
К /з и К */з - модифицированные функции Бесселя второго рода
(1-І)
волны;
- 15 -
£ - энергия электрона; - радиус равновесной орбиты; б -- заряд электрона; С - скорость света; /71 - масса электрона.
Из названных работ также следует, что синхротронное излучение является поляризованным. Каждый член суммы, стоящей в фигурных скобках формулы (1.1) соответсвует одной из компонент линейной поляризации. Первый член соответсвует тале называемой & --компоненте, для которой вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости орбиты, второй - 7С -компоненте, для которой электрический вектор перпендикулярен плоскости орбиты.
Если определить степень линейной поляризации излучения как:
то из формулы (1.1) можно получить выражение для степени поляризации как функции от длины волны и угла распространения:
Из формулы (1.3) видно, что в плоскости орбиты ( У= 0), для всех длин волн имеет место полная линейная поляризация, степень
теоретически было показано, что между колебаниями &-компоненты и 71 -компоненты существует фазовый сдвиг. Это означает, что в общем случае синхротронное излучение поляризовано эллиптически, причем при углах У > О излучается свет с эллиптиче-
- Хтг _ X// ~ Ти.
(1.2)
которой уменьшается с увеличением угла. В работе [ 8] впервые
- Київ+380960830922