ОГЛАВЛЕНИЕ
2
ВВЕДЕНИЕ............................................................ 5
Глава 1. Энергодисперсионные методы исследования атомной структуры вещества на основе измерения характеристик рассеянного в изучаемом образце синхротронного излучения 28
1.1. Модификация метода Цернике - Принса определения радиальной функции распределения атомов в конденсированном макроскопически однородном веществе............................ 28
1.2. Энергодисперсионный вариант метода Дебая - Шсррера для диагностики кластеров в мелкодисперсных средах........... 33
1.3. Метод определения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации с помощью широкополосного синхротронного излучения....................... 50
Глава 2. Модифицированный энергодисперсионный метод г диагностики атомной структуры вещества........................... 69
2.1. Использование ПТИ релятивистских электронов для структурной диагностики.................................. 70
2.2. Метод измерения межилоскостных расстояний в поликристаллах на основе ПТИ............................. 78
2.3. Аномальный пик ПТИ релятивистских электронов,
движущихся в поликристалле..................................... 85
2.4. Аномальный пик ПТИ релятивистских электронов,
движущихся в аморфной среде. Определение радиальной функции распределения атомов............................. 98
2.5. Аномальный пик ПТИ релятивистских электронов,.
движущихся в ультрамелкозернистом твердом теле. Определение размера зерен........................................... 102
3
Глава 3. Влияние дисперсии диэлектрической проницаемости мишени на свойства ПРИ......................................... 110
3.1. Модификация эффекта аномального поглощения в процессе параметрического излучения релятивистских электронов в условиях реализации явления Вавилова-Черенкова..... 111
3.2. Параметрическое рентгеновское излучение вдоль скорости излучающего электрона в условиях проявления черенковского эффекта............................................ 118
3.3. Аномальные свойства квазичеренковского излучения в геометрии рассеяния Брэгга............................... 127
Глава 4. Особенности ПРИ, обусловленные влиянием геометрии эксперимента................................................... 133
4.1. Эффект усиления выхода ПРИ в режиме скользящего падения излучающих электронов на поверхность кристалла 133
4.2. Эффект монохроматизации рефлекса ПРИ в условиях удаленности от брэгговкого резонанса..................... 139
4.3. Подавление эффекта плотности в параметрическом рентгеновском излучении.................................. 148
Глава 5. Радиационные процессы в кристаллах, подверженных воздействию акустической волны................................. 158
5.1. Влияние акустической волны на параметрическое рентгеновское излучение релятивистских электронов в кристалле.......................................... 158
5.2. Кинематическая дифракция немонохроматических расходящихся рентгеновских пучков в кристалле с периодически деформированной решеткой........................... 166
5.3. Модифицированная схема кристаллического ондулятора... 179
4
Глава 6. Влияние многократного рассеяния излучающих электронов на свойства параметрического рентгеновского излучения....................................................... 191
6.1. Влияние многократного рассеяния на характеристики параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов................................................. 193
6.2. Аномальные свойства наблюденного параметрического рентгеновского излучения вдоль скорости релятивистских электронов................................................. 207
Глава 7. Особенности когерентного тормозного излучения релятивистских электронов в кристаллах.......................... 220
7.1. Влияние многократного рассеяния на характеристики КТИ электронов с энергией до десятков МэВ................. 220
7.2. Рентгеновское КТИ релятивистских электронов в ориентированных кристаллах.......................... ' 235
7.3. Тормозное излучение релятивистских электронов в текстурированном поликристалле........................ 242
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................... 249
ЛИТЕРАТУРА...................................................... 255
1
5
ВВЕДЕНИЕ.
Состояние исследований в области и актуальность темы диссертации. Область взаимодействия быстрых частиц и излучения с веществом всегда привлекала внимание исследователей, как многообразием физических явлений, так и широкими возможностями реализации важных приложений. Достаточно указать на такие ее разделы как физика высоких энергий [1-4], современная электронная микроскопия [5,6], генерация излучения в исключительно широком диапазоне энергий фотонов от СВЧ до десятков ГэВ [7-10], диагностика пучков заряженных частиц [11-13].
Особое место в обсуждаемой области физики занимает проблема коллективного отклика атомов среды на вносимое извне электромаг нитное возмущение, поскольку в указанных условиях возможен существенный рост выходов электромагнитных процессов. Основное внимание в диссертации уделяется исследованиям рентгеновского излучения быстрых электронов в конденсированном веществе, направленным на решение двух проблем. Это исследование фундаментальных аспектов физики излучения частиц в веществе и разработка новых эффективных источников квази монохроматического перестраиваемого рентгеновского излучения, альтернативных современным синхротронам, а также разработка новых энсргодисперсиопных методов диагностики атомной структуры твердых тел., основанных на обсуждаемом взаимодействии. Указанные проблемы тесно связаны, поскольку основное назначение новых источников рентгеновского излучения, альтернативных синхротронам, заключается в генерации зондирующего потока фотонов для рентгеноструктурной диагностики.
Активные фундаментальные исследования ведутся в области фотоники искусственных сред с необычными свойствами, в области физики поляризационного тормозного излучения (ПТИ, см. обзор [14]) -
сравнительно нового механизма излучения, сопутствующего традиционному тормозному излучению на атомах, в области обоснования и развития когерентных механизмов излучения в конденсированном веществе, таких как резонансное переходное излучение в периодических средах, излучение Смита-Парселла, дифракционное излучение, рентгеновское черепковское излучение в окрестности краев фотопоглощения вещества мишени, параметрическое рентгеновское излучение (ПРИ) в кристаллах и слоистых наноструктурах и т.д. (см. подробнее обзор[10]). Анализ возможностей диагностики атомной структуры вещества по характеристикам излучения быстрых электронов, пересекающих исследуемый образец, только начинается, хотя к настоящему времени уже получены обнадеживающие экспериментальные результаты, часть из которых будет интерпретирована в настоящей диссертации.
ПТИ является микроскопической основой перечисленных механизмов излучения (кроме черепковского), что создаст основу для единого описания широкого круга электродинамических процессов электрои-фотонного взаимодействия в конденсированных средах. Поэтому изучение 11ТИ имеет важное значение для развития физики излучения и ее приложений. Следует отметить, что к настоящему времени ПТИ исследовано детально как теоретически, так и экспериментально применительно к процессу столкновения быстрой частицы с отдельным атомом [14-16] (подробный, обзор последних достижений в физике ПТИ см. в [17]).С другой стороны, коллективные процессы в ПТИ исследованы значительно меньше, причем в основном в области нерелятивистских энергий налетающих частиц. Между тем, анализ таких процессов является физической основой для развития приложений в области диагностики атомной структуры вещества, поэтому значительная часть диссертации посвящена исследованию именно этой проблемы.
Непосредственно к обсуждаемой примыкает проблема физики ПРИ -когерентной составляющей ПТИ в кристалле. Интерес к указанной проблеме вызван возможностью создания уникального по спектрально-угловой плотности источника рентгеновского излучения с плавно перестраиваемой линией. Несмотря на огромное количество работ по теме (см. например [18-21] и обзор [22] ), она еще далека от завершения. .Так, вплоть до последнего времени практически отсутствовала теория ПРИ в условиях сильной дисперсии диэлектрической проницаемости мишени. Как правило (см.например [24]), приводились более общие выражения для выхода ПРИ, учитывающие аномальную дисперсию в окрестности . краев фотопоглощения, на основе которых делались довольно общие выводы. Теоретических исследований, приводящих к новым эффектам, обусловленным именно дисперсией материала мишени, не проводилось (следует указать на экспериментальную работу в данном направлении [25]). Между тем, обсуждаемая задача тесно связана с одной из важнейших проблем ПРИ - повышением интенсивности источников, основанных на ПРИ, поэтому исследования влияния дисперсии на ПРИ представляются весьма важными и актуальными. Отмеченная задача составляет лишь часть возможных направлений поисков новых путей преодоления указанного недостатка ПРИ, затрудняющего практическое использование этого механизма излучения. Другие возможности (см., например, [26-28] и цитированную там литературу), а также связанные, в частности, с геометрией схем излучения, также представляют существенный интерес и рассматриваются в настоящей диссертации.
К числу нерешенных в обсуждаемой области проблем относилось также отсутствие интерпретации неожиданных результатов первых успешных измерений ПРИ вдоль скорости излучающего электрона [23]. В указанном эксперименте искался пик ПРИ вперед на фоне тормозного фона. При этом в некоторых измерениях вместо' пика на тормозной подложке
наблюдался провал. Многочисленные теоретические работы, посвященные анализу ПРИ вперед (см. например [29-31]) не описывают обсуждаемую аномалию. Ввиду принципиального значения искомого эффекта, поиск которого продолжался более 30 лет, интерпретация результатов выполненных измерений, является необходимой для надежного подтверждения факта обнаружения ПРИ вперед.
В последнее время большое внимание уделяется поиску и созданию методов контроля процессов рассеяния и излучения фотонов в кристалле посредством акустических волн (рассматривается влияние акустического возбуждения кристалла на тормозное излучение, рождение электрон-позитронных пар, параметрическое излучение и т.д., см. например [32-34]). Несмотря на большие успехи в управлении потоками рентгеновского излучения в возбужденных акустическими волнами кристаллах [35], в решении проблемы кристаллического ондулятора [36] и т.д., часть проблем оставалась нерешенной. Среди них отметим интерпретацию наблюденного эффекта усиления ПРИ в кристалле, подверженном воздействию акустической волны [37] То же можно сказать об эксперименте [38], в котором наблюдалось усиление отраженного колеблющимся кристаллом широкополосного расходящегося рентгеновского пучка. Анализ указанных и других проблем также проводится в настоящей работе
В работе рассматриваются также процессы тормозного излучения и рассеяния в кристаллических и мелкодисперсных средах свободных рентгеновских лучей. Первые - ввиду их непосредственной близости к исследуемой теме разработки источников рентгеновского излучения, а вторые - в связи с исследованием в диссертации новых возможностей энергодисперсионной диагностики атомной структуры твердых тел (обзор ранних результатов содержится в [48], а последние подходы и достижения можно найти в [46]). С точки зрения создания источников квазимонохроматического рентгеновского излучения, основанных на
процессах взаимодействия релятивистских электронов с веществом большой интерес представляет интерпретация результатов эксперимента [39], в котором наблюдалось интенсивное низкочастотное излучение пучка релятивистских электронов движущихся вдоль оси кристалла. Излучение наблюдалось в области частот, в которой излучение каналированных электронов подавлено и возникает необходимость количественного объяснения эксперимента.
Особый интерес имеет область исследований процессов взаимодействия частиц и излучения с веществом, связанная с разработкой новых методов диагностики атомной структуры конденсированных сред. В диссертации рассматриваются возможности конкретных реализаций новых методик энергодисперсиоиной диагностики (см. обзор [46]), развиваемой в настоящее время весьма активно в связи с постоянным ростом энергетического разрешения полупроводниковых детекторов. В данной области недостаточно изучены возможности смешанных подходов, использующих сочетание традиционных для энергодисперсионного подхода спектральных измерений с измерением ориентационных зависимостей выходов рассеянных широкополосных пучков первичного зондирующего излучения. В работе фактически обосновывается процедура измерения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, а сам процесс измерения был реализован в более ранних исследованиях [39].Исследуются практически не изученные возможности нетрадиционного подхода, основанного на замене свободных квантов виртуальными фотонами кулоновского поля релятивистских электронов, пересекающих исследуемый образец.
Теоретическому анализу указанных и других проблем физики взаимодействия частиц и излучения с конденсированными средами и посвящена настоящая диссертация, значительная часть которой непосредственно связана с экспериментом.
10
Цель настоящей работы
- развить физические представления и методы описания процессов когерентного рассеяния электромагнитного поля релятивистских электронов в веществе, разработать на их основе конкретные приложения в областях новых методов диагностики атомной структуры вещества и эффективных источников квазимонохроматического рентгеновского излучения, а также дать количественное объяснение ряда важных экспериментов в данной области.
Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие основные задачи:
- Разработать новые энергодисперсионные методы диагностики функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации и микрокристаллитов в наноматериале по размерам и форме.
- Разработать новый энсргодисперсиониый подход к диагностике поликристанлических материалов, основанный на использовании ПТИ релятивистских электронов.
- Развить теорию 11РИ в условиях сильной дисперсии диэлектрической проницаемости мишени и исследовать влияние такой дисперсии на эффект аномального поглощения в ПРИ.
- Исследовать ПРИ в режиме скользящего падения электронов на поверхность мишени и несимметричной геометрии и доказать возможность существенного увеличения интенсивности ПРИ.
- Исследовать числено-аналитическими методами на основе строгого кинетического подхода проблему соотношения вкладов процессов рассеяния реальных фотонов тормозного излучения и виртуальных кулоновских фотонов в формирование выхода ПРИ.
- Развить строгую кинетическую теорию процесса одновременного ПРИ вперед и дифракции тормозных квантов на системе атомных плоскостей, ответственных за ПРИ и предложить на е основе
количественную интерпретацию первого успешного эксперимента по обнаружению ПРИ вперед.
- Развить простой кинематический подход к описанию дифракции расходящихся немонохроматических рентгеновских пучков в кристалле, возбужденном акустической волной, и получить на его основе объяснение результатов экспериментов по усилению ПРИ и дифрагированных рентгеновских пучков в акустически возбужденных кристаллах.
- Развить теорию низкочастотного рентгеновского излучения релятивистских электронов, движущихся вдоль оси кристалла в режиме случайных столкновений с цепочками атомов. Определить механизм излучения и рассчитать его спектр с учетом корреляций между последовательными столкновениями электрона с цепочками. Объяснить на основе развитой теории данные проведенных измерений.
Научная новизна полученных результатов.
- Разработан новый энергодисперсионный метод диагностики функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации.
- Разработан новый метод диагностики размера и формы нанокластеров в ультрамелкодисперсной среде.
- Впервые установлено резкое возрастание влияния эффекта аномального поглощения на ПРИ в условиях проявления эффекта Вавилова -Черенкова. Показано, что в рассматриваемых условиях возможно существенное увеличение выхода ПРИ.
- Впервые предложен и теоретически исследован метод увеличения интенсивности ПРИ за счет подавления фотопоглощения в режиме скользящего падения электронов на поверхность мишени в несимметричной геометрии рассеяния.
- Развита теория когерентного излучения релятивистских электронов, движущихся в кристалле в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, учитывающая корреляции между последовательными
12
столкновениями, интерференционный вклад переходного излучения и не имеющая ограничений на энергию излучающих электронов. На основе теории дана количественная интерпретация данных выполненных измерений.
- Впервые показано, что запрет на ПРИ вдоль скорости излучающего электрона, возникающий в геометрии рассеяния Брэгга, снимается в условиях реализации эффекта Вавилова — Черенкова.
- Развита теория ПРИ вдоль скорости излучающих электронов, описывающая в рамках единого подхода собственно ПРИ и дифракцию тормозного излучения. На основе развитой теории показано, что обнаруженный экспериментально эффект смены спектрального пика ПРИ вперед на фоне подложки тормозного излучения провалом объясняется конкуренцией указанных механизмов излучения, а также эффектом Тср - Микаэляна подавления тормозного излучения.
- Разработана кинематическая модель ПРИ в кристалле в присутствии акустической волны, на основе которой дано объяснение наблюдавшегося экспериментально эффекта усиления выхода излучения в конечный коллиматор.
- Предложен и обоснован метод диагностики атомной структуры поликристаллов с высоким энергетическим разрешением на основе использования пика ПТИ в направлении, противоположном скорости излучающего электрона.
Научная и практическая значимость полученных результатов.
- Разработанные и запатентованные методы диагностики мозаичности кристаллов, а также размеров нанокластеров в ультрамелкодисперсных средах найдут применение в области разработки и создания элементов рентгеновской оптики, а также создания новых материалов и устройств в области современных нанотехнологий. Эффективность предложенного метода диагностики мозаичности уже подтверждена экспериментально.
- Выявленные и обоснованные теоретически новые подходы к повышению интенсивности ПРИ, основанные на использовании схемы скользящего падения электронов на поверхность мишени, или модификации эффекта аномального поглощения при преодолении электроном черенковского барьера найдут применение в области создания эффективных источников квази монохроматического рентгеновского излучения, альтернативных современным синхротронам.
Метод увеличения выхода ПРИ, основанный на геометрии скользящего падения, уже нашел экспериментальное подтверждение.
- Развитие предложенного и обоснованного метода диагностики атомной структуры вещества на основе Г1ТИ релятивистских электронов может привести к созданию методик с исключительно высоким пространственным разрешением.
Эффективность предложенного метода уже подтверждена экспериментально на примере диагностики поликристаллов.
- Разработанные методы описания ПРИ и дифракции расходящихся немонохроматических рентгеновских пучков в кристаллах, возбужденных акустическими волнами, найдут применение в области развития методов управления электромагнитными процессами в кристаллических средах.
- Результаты анализа влияния многократного рассеяния излучающих электронов на свойства ПРИ позволили выявить область параметров задачи, в которой справедливо упрощенное описание обсуждаемого процесса. Данный вывод, обосновывающий простой подход к интерпретации экспериментов, найдет применение в области фундаментальной физики ПРИ.
- Развитые в работе численно - аналитические методы описания сложных процессов ПРИ вперед с учетом дифракционного выбывания из конуса излучения ПРИ тормозною фона и рентгеновского КТИ надбарьерных электронов с учетом корреляций между последовательными случайными
14
столкновениями электрона с атомными цепочками будут использованы при дальнейшем развитии теории излучения быстрых частиц в среде.
Достоверность полученных результатов обеспечивается, прежде всего, аналитической формой большинства из них, позволившей совершить предельные переходы к достоверным результатам, полученным ранее другими авторами. В работе использовались только апробированные методы теоретического анализа электродинамических процессов в веществе (классическая теория излучения, динамическая теория дифракции, метод кинетического уравнения в теории многократного рассеяния, методы функций комплексной переменной, асимптотические методы вычисления интегралов), что также повышает степень достоверности полученных результатов. Многие из результатов получили количественное, либо качественное экспериментальное подтверждение (теория метода определения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, теория метода диагностики поликристаллов с помощью ПТИ, теория метода увеличения интенсивности ПРИ в режиме скользящего падения электронов на поверхность кристалла, теория ПРИ в кристалле, возбужденном акустической волной, теория ПРИ вперед с учетом дифракционного выбывания из конуса ПРИ фотонов тормозного фона, теория рентгеновского КТИ надбарьерных электронов, учитывающая корреляции между последовательными случайными столкновениями электрона с атомными цепочками).
Положения, выносимые на защиту.
1.Установленные закономерности рассеяния широкополосных расходящихся рентгеновских пучков в упорядоченных средах и основанные на этих закономерностях новые энергодисперсионные методы определения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, а также размеров и формы наиокластеров в ультрамел код исперсной среде.
2. Установленный механизм формирования аномального пика ПТИ релятивистских электронов в поликристалле в направлении, противоположном
15
скорости излучающею электрона и основанный на этом пике энергодисперсионный метод диагностики поликристаллов с высоким энергетическим и пространственным разрешением.
3. Выявленные особенности формирования выхода ПРИ релятивистских электронов в периодических средах в условиях преодоления электроном черенковского барьера, а также скользящего падения электронов на поверхность мишени в несимметричной геометрии дифракции и основанные на этих особенностях методы повышения интенсивности ПРИ.
4. Развитая теория процесса ПРИ вдоль скорости излучающего электрона в условиях сильного поглощения, многократного рассеяния и дифракционного выбывания фотонов тормозного фона из конуса излучения ПРИ и количественное объяснение неожиданных результатов первого успешного эксперимента по обнаружению ПРИ вперед.
5. Разработанный метод количественного описания процесса генерации рентгеновского излучения релятивистскими электронами, движущимися вдоль оси кристалла в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, позволяющий учесть корреляции между последовательными столкновениями электрона с цепочками, а также интерференционный вклад переходного излучения, и обеспечивающий физическую интерпретацию данных выполненных измерений.
6. Теоретическое обоснование возможности радикального упрощения описания ПРИ в условиях сильного многократного рассеяния заменой неравновесного электромагнитного поля релятивистского электрона равновесным кулоновским, допустимой в области частот и энергий, в которой длина формирования тормозного излучения мала по сравнению с расстоянием, на котором угол рассеяния сравнивается с угловым масштабом равновесного поля.
Структура и объем диссертации.
16
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Объем работы - 274 страницы, она включает в себя 54 рисунка. Список литературы состоит из 203 наименований.
Содержание работы.
В работе исследуются процессы взаимодействия электронов и фотонов с конденсированными упорядоченными, либо частично упорядоченными средами. В интересующей нас области рентгеновских частот, малых по сравнению с массой и энергией электрона, несущественными являются квантовоэлектродинамические эффекты комптоновского смещения частоты и рождения электрон - позитронных пар, а также отдачи при излучении. Поэтому электромагнитное поле описывается в работе на основе уравнений Максвелла. Движение электронов в кристаллических средах происходит вдали от условий каналирования, поэтому описывается в рамках классической механики.
В первой главе излагаются результаты исследований атомной структуры вещества на основе рассеяния широкополосных потоков свободных фотонов в исследуемом образце.
В частности, в работе рассматривается модификация одного из основных методов определения ближнего порядка в расположении атомов в конденсированных средах, предложенного Цернике и Принсом [40]. В рамках этого метода искомая радиальная функция распределения атомов п(г) находится из интегрального уравнения Цернике - Принса.
Традиционный подход [41-46] предполагает угловые измерения рассеянного квазимонохроматического излучения. При этом верхний предел переданного импульса, по которому ведется интегрирование, ограничен величиной, пропорциональной 2со, что приводит к искажениям искомой функции, для уменьшении которых разрабатываются специальные процедуры [47].
Указанное затруднение снимается, если в эксперименте перейти к спектральным измерениям при условии точного знания спектра падающего
I
17
излучения. Последнему условию можно удовлетворить обращением к хорошо изученным механизмам генерации широкополосного излучения, например к тормозному и синхротронному. Еще одна возможность реализуется в методе рассеяния виртуальных фотонов кулоновского поля пересекающих образец релятивистских электронов, поскольку спектр таких фотонов рассчитывается точно.
Далее, в главе рассматривается процесс рассеяния широкополосного рентгеновского излучения в мозаичном кристалле с целью выяснения возможности создания нового энергодисперсионного метода определения функции распределении зерен .кристалла по углам ориентации. Как правило, подобные проблемы решаются с помощью угловых, или ориентационных измерений рассеянного квазимонохроматического излучения [48]. Можно сравниваться с эталонной (от кристалла высокого качества) полушириной рефлекса [49]. Предложен и более сложный метод, основанный на сравнении отражательных способностей в многоволновом и двухволновом случаях [49]. В настоящее работе для исключения влияния ширины спектра первичного излучения ориентационные измерения предлагается проводить с широкополосным излучением. Решение полученного интегрального уравнения показывает, что искомая функция распределения оказывается прямо пропорциональной измеряемой ориентационной зависимости жестко ванного выхода рассеянного в заданный брэгговский рефлекс излучения. Таким образом, разработанный метод позволяет определять распределение зерен мозаичного кристалла непосредственно из эксперимента. В главе приводятся данные выполненных измерений, подтверждающих теорию.
Завершает главу анализ возможности создания метода диагностики нанокластеров в ультрамелкодисперсной среде, основанного на рассеянии широкополосного рентгеновского излучения с анализом спектров когерентно рассеянного излучения в области брэгговских пиков. Показывается, что метод оказывается чувствительным к форме кластера, причем от формы зависит
соотношение между интенсивностями различных пиков. Именно это обстоятельство открывает путь к диагностике формы кластеров методом Ритвелда [50-54].
Вторая глава посвящена исследованию нового энергодисперсионного метода структурой диагностики, основанного на рассеянии в веществе не свободных, а виртуальных фотонов кулоновского поля релятивистских электронов, пересекающих исследуемый образец. Экспериментальная процедура измерений в рамках предлагаемого метода является более сложной по сравнению с классическими рентгеноструктурными измерениями, однако некоторые перспективы метода выглядят настолько привлекательными, что полностью оправдывают усилия по освоению метода.
Первое преимущество обусловлено точным знанием спектра первичных виртуальных фотонов, что необходимо для реализации энергодисперсионной методики. Второе преимущество связано с возможностью относительно просто управлять параметрами электронного пучка с помощью методов традиционной магнитной оптики (например, фокусировать электронный пучок на мишень, что несравненно проще фокусировки фотонного пучка). Наконец, использование фотонов рассеянных в направлении, противоположном скорости электронов, движущихся в поликристалле, позволяет реализовать процесс диагностики поликристаллических сред с уникальным энергетическим разрешением, поскольку ширина спектра рассеянных фотонов обратно пропорциональна в обсуждаемом случае квадрату энергии электронов.
Процесс рассеяния виртуальных фотонов называется поляризационным тормозным излучением (ПТИ) и детально изучен к настоящему времени [55-57] применительно к столкновению быстрой частицы с изолированным атомом. В рассматриваемых задачах диагностики требуется анализ коллективного рассеяния кулоновского поля быстрого электрона всеми атомами мишени одновременно. В главе приводятся рабочие формулы для количественной интерпретации выполненных первых абсолютных измерений характеристик
ПТИ релятивистских электронов в поликристалле. Проводится детальное сравнение экспериментальных данных с предсказаниями теории.
Далее в главе исследуются характеристики аномального пика ПТИ, излучаемого движущимися в поликристалле электронами в направлении строго назад. Предсказывается возможность проводить измерения межплоскостных расстояний в поликристалле с весьма высоким энергетическим разрешением (порядка эВ) при относительно малых энергиях электронного пучка. Например, для достижения разрешения 10_4в эксперименте с синхротронным излучением требуется электронный пучок с энергией 5 ГэВ. С другой стороны, рассматриваемый подход может обеспечить такое разрешение уже с пучком электронов с энергией 50 МэВ.
Существенное негативное влияние на когерентную составляющую ПТИ оказывает эффект плотности (для учета последнего достаточно совершить замену^'2 р2 = у'2 +(о1 / со~, со § — плазменная частота мишени), ограничивающий рост амплитуды когерентных пиков и уменьшение их спектральной ширины с увеличением энергии электрона. Например, характеристики излучения в области энергий 3 кэВ в мишени с плазменной частотой 30 эВ перестает зависеть от энергии электронов уже при 50 МэВ. Проведенный анализ показал, что благодаря вкладу в формирование ПТИ переходного излучения, возникающего на входной поверхности мишени, влияние эффекта плотности на аномальный пик существенно подавляется.
В главе приводятся данные предварительных измерений по обнаружению аномального пика.
Оказывается, что интерес с точки зрения диагностики атомной структуры вещества представляет и ПТИ назад в аморфной, или слабоструктурированной среде. Выполненные в главе исследования показали уникально малую ширину области переданных импульсов в обсуждаемом случае. Данное обстоятельство позволило разработать метод определения функции радиальной плотности атомов, аналогичный энергодисперсионному варианту метода Цериике -
Принса, рассмотренному в первой главе, причем для вещественных и мнимых частей входящей в основную формулу восприимчивости используются измеренные экспериментально для многих веществ данные, приведены в [58]).
Завершает главу анализ возможности использования ПТИ для измерения размера кластеров в мелкодисперсной среде. Идея метода основана на следующих соображениях. Малоугловой пик ПТИ на кластере, соответствующий рассеянию кластером как целым, должен иметь спектральный максимум, поскольку ПТИ на кластере подавляется при <у-> О вместе с сечением ПТИ на атоме [59-61], а в области больших частот ПТИ подавляется вследствие падения степени когерентности вклада всех атомов кластера в формирование излучения. Ясно, что положение максимума должно зависеть от размера кластера, поскольку увеличение размера приводит к росту малоуглового пика и его сдвигу в сторону меньших частот. Изложенные соображения были подтверждены прямыми расчетами. Оказалось, что наиболее подходящей для сравнения с экспериментом расчетной величиной является квадрат модуля структурного фактора кластера, умноженный на квадрат частоты.
В третьей главе излагаются результаты исследований механизма ПРИ в условиях сильной дисперсии диэлектрической проницаемости мишени. Такая дисперсия, реализующаяся в окрестности краев фотопоглощения материала мишени [62-64], может существенно изменить условия излучения, что представляет интерес с точки зрения решения основной проблемы ПРИ -низкой интенсивности, затрудняющей практическое использование этого излучения. Главная идея проводимых исследований состоит в модификации влияния эффекта Бормана (эффекта аномального поглощения) [65] на ПРИ [66-68]. Как известно, рост интенсивности ПРИ за счет эффекта Бормана является небольшим, что является следствием самого механизма излучения. Действительно, для реализации эффекта необходимо, чтобы падающая и дифрагированная волны образовали точную структуру стоячей волны поперек
рассеивающих атомных плоскостей так, чтобы пучности стоячей волны попали в середину между плоскостями, а узлы расположились на плоскостях, что обеспечивает минимальное взаимодействие волнового поля с атомными электронами мишени [69]. Поскольку в случае ПРИ закон дисперсии первичной волны являющейся виртуальным фотоном, резко отличается от дисперсии дифрагированной волны являющейся свободным фотоном, то образование точной структуры стоячей волны оказывается невозможным. С другой стороны, в условиях преодоления электроном черенковского барьера оба фотона -первичный и дифрагированный имеют одинаковый закон дисперсии и могу образовать стоячую волну. При этом следует ожидать роста влияния эффект Бормана на выход ПРИ.
Проведенный анализ выхода ПРИ в направлении рассеяния Брэгга в геометрии Лауэ показал резкое увеличение выхода излучения при преодолении электроном черенковского барьера.
Далее в главе рассматривается проблема черенковской генерации рентгеновского излучения в окрестности краев фотопоглощения материала мишени. После теоретического предсказания эффекта [70] был выполнен ряд блестящих экспериментов, доказавших перспективу создания черенковских источников мягкого рентгеновского излучения [71-74]. Затем появилась работа [75], в которой рассматривалось черенковское изучение в слоистой среде на основе численного анализа формул Гарибяна для стопки пластин [76]. В указанной работе получен выход, превышающий выход черенковского излучения в однородной среде, что не совсем понятно, однако представляет большой интерес для практики.
Проведенный анализ показал, что обсуждаемое увеличение выхода может произойти за счел вклада ПРИ веред в условиях аномального поглощения.
В последнем параграфе главы показывается, что запрет на излучение фотонов ПРИ вдоль скорости электрона в геометрии рассеяния Брэгга, проявляющийся в области частот в которой реализуется обычная «плазменная»
22
дисперсия диэлектрической восприимчивости мишени, снимается в окрестности краев фотопоглощения. Данный эффект возникает прежде всего за счет изменения знака групповой скорости излучаемой волны.
Четвертая глава посвящена дальнейшему анализу возможностей улучшения эксплуатационных параметров рентгеновских пучков, генерируемых релятивистскими электронами в рамках механизма ПРИ. Предлагается и исследуется эффективный метод увеличения интенсивности ПРИ в режиме скользящего падения излучающих электронов на поверхность мишени в геометрии несимметричного отражения.
На основе полученных результатов был проведен эксперимент на созданной на выходе микротрона ФИАН установке. Сравнивались выходы ПРИ при нормальном и скользящем падении (в условиях эксперимента угол скольжения был не очень малым). Результаты эксперимента количественно согласуются с теоретическими предсказаниями.
При уменьшении угла падения электрона на отражающую плоскость растет частота излучения (брэгговская частота), что представляет интерес для ряда приложений. Этому процессу сопутствует негативный эффект, заключающийся в росте ширины спектра ПРИ. В главе исследуется своеобразный эффект монохроматизации рефлекса ПРИ, проявляющийся именно в области малых углов падения электрона на плоскость (порядка у-1), когда угловое распределение ПРИ становится существенно несимметричным. У распределения возникает длинный «хвост» со стороны больших значений углов наблюдения, поэтому выход остается значительным при существенном удалении системы кристалл - электронный пучок - излучаемый фотон от условия Брэгга. В главе показывается, что, в случае, когда угол наблюдения, отсчитываемый от отражающей плоскости, превышает угол падения электрона на плоскость, происходит значительное уменьшение ширины спектра брэгговского рефлекса с одновременным уменьшением интенсивности излучения (интенсивность падает менее существенно, чем в случае отклонения
23
от брэгговского резонанса при большом угле ориентации скорости электрона относительно отражающей плоскости) и частоты Брэгга.
В главе получено точное решение задачи о кинематическом ПРИ в непоглощающем кристалле конечной толщины при угле рассеяния равном 180 градусов. Полученное выражение для полного излучения учитывающее интерференционные вклады ПРИ и переходного излучения существенно отличается от классического результата Феранчука - Ивашина и предсказывает, в частности, подавление эффекта плотности при достаточно больших энергиях независимо от толщины мишени.
В пятой главе диссертации исследуются особенности процессов рассеяния и излучения фотонов в кристаллических мишенях, подверженных воздействию акустической волны. Такие процессы представляют большой практический интерес в связи с возможностями управления выходами электромагнитных процессов в кристаллах с помощью акустических волн. Поэтому теоретическим и экспериментальным исследованиям обсуждаемых процессов посвящено много работ (см. например [77-86]). В главе развита простая кинематическая теория дифракции немонохроматических расходящихся рентгеновских пучков на возбужденной акустической волной решетке и на основе полученных результатов проанализированы два недавних эксперимента, в одном из которых наблюдалось уширение ориентационной зависимости выхода рассеянного излучения [87], а в другом зафиксировано усиление такого выхода [88].Анализ проводился на основе полученной кинематической формулы для ориентационной зависимости количества рассеянных конкретной кристаллографической плоскостью квантов. Полученный результат позволил объяснить наблюдавшийся экспериментально эффект уширения ориентационной зависимости выхода рассеянного колеблющимся кристаллом рентгеновского излучения, а также предложить возможную причину усиления отраженного излучения.
24
Далее, в главе рассматривается ПРИ в кристалле с модулированной акустической волной решеткой и показывается возможность объяснения эксперимента [88], в котором наблюдалось усиление выхода коллимированного излучения. Выполненные исследования показали, что в присутствии акустической волны происходит существенная модификация углового распределении ПРИ, в результате которой может исчезнуть известный провал в центре невозмущенного ПРИ.
Жесткая коллимация излучения может привести к росту наблюдаемого выхода ПРИ в соответствии с результатом [88], однако полный выход излучения, измеряемый при полностью раскрытом коллиматоре, остается неизменным.
Завершают главу исследования влияния акустической волны на когерентное тормозное излучение релятивистских электронов в ориентированном кристалле. Данная задача представляет интерес в связи с активно разрабатываемой в настоящее время проблемой кристаллического ондулятора [89-95], т.е. излучения каналирующих частиц в периодически изогнутом плоскостном канале кристалла (первоначальное предложение). Выполненные в последнее время исследования привели к пониманию того факта, что более выгодным является использование когерентного излучения надбарьерных частиц. В работе предлагается исследуется модифицированная схема, базирующаяся на излучении в потенциале периодически изогнутых волной цепочек электронами, движущимися в кристалле в режиме случайных столкновений с цепочками. Такой режим, реализующийся при очень малых углах ориентации скорости электрона относительно оси цепочки, обеспечивает максимальное взаимодействие с цепочкой, причем, благодаря изгибу оси цепочки, на отдельных участках траектории движение происходит параллельно локальному направлению оси цепочки, когда взаимодействие существенно возрастает. В результате выход излучения может превысить выход КТИ на изолированной цепочке.
25
Шестая глава посвящена анализу непростой проблеме физики ПРИ -влиянию многократного рассеяния излучающих электронов на характеристики излучения. Вначале изучается на основе строгого кинетического подхода [96] ПРИ в направлении рассеяния Брэгга. В рамках динамического подхода с применением процедуры усреднения по траекториям электрона, описанной в [96,18], получена формула, предсказывающая малое влияние искривления траектории электрона на длине когерентности тормозного излучения в области частот, в которой угол многократного рассеяния на указанной длине мал по сравнению с характерным угловым масштабом кулоновского поля электрона.. Поскольку разделение излучаемого фотона тормозного излучения с кулоновским нолем и восстановление равновесного кулоновского поля происходят именно на длине когерентности тормозного излучения, а излучение фотона ПРИ происходит на существенно меньшей длине вследствие большого угла излучения, то ПРИ формируется за счет рассеяния неравновесного поля электрона. Благодаря приведенному условию, неравновесное поле мало отличается от равновесного, поэтому многократное рассеяние не оказывает существенного влияния на механизм ПРИ при выполнении этого условия. Данный результат позволяет использовать простую модель усреднения сечения ПРИ, полученного для прямолинейной траектории, по расширяющемуся пучку прямолинейных траекторий.
Завершает главу анализ обнаруженных в первом успешном эксперименте по измерению характеристик ПРИ вперед [97] (необходимо отметить, что результат [97] был подтвержден в эксперименте очень высокого качества [98]). В обсуждаемом эксперименте ожидаемый результат измерений (пик ПРИ вперед на фоне тормозной подложки) сменялся иногда провалом.
Для обоснования высказанного предположения о причине наблюденной аномалии, как конкуренции двух тенденций - возникновения пика ПРИ вперед и проявления провала в тормозной подложке вследствие дифракционного выбывания тормозных фотонов из конуса ПРИ вперед была развита модель,
- Київ+380960830922