Введение к работе
Аятуальность. Исследование электромагнитных процессов, сопровождающих проховдение быстрых заряженных частиц через кристаллы представляет одно из актуальных направлений физики взаимодействия частиц и излучения с веществом, поскольку в этом случае проявляются когерентные а интерференционные э^езты, связанные с корреляциями во ззвииодействии частиц с зтсмани цепочек (плоскостей).
Одним из наиболее ярких эффектов во зззимодействии релятивистских заря-ленных частиц с кристаллами является генерация остронапрэвленного излучения гэшз-нзантов более эффевтизнзя, чем з других известных источниках излучения. Исследование этого излучения представляет интерес с точки зрения выяснения физичес-них механизмов его генерации и зозмойных путеК оптимизации характеристик такого источника. К настоящему времени з этом направлении проведено большое количество как теоретических, так и экспериментальных работ.
Большое разнообразие экспериментальных условий (расходимость и поперечные размеры пучка частиц, падающих на кристалл, степень коллимации фотонного пучка, параметры кристаллической мишени и т.д.) создавало затруднения при сравнении результатов, полученных разными авторами в их теоретической интерпретации. В этой связи возникла необходимость развития комплексного подхода к исследованию процессов излучения /-квантов релятивистскими за-рязенныыи частицами в кристалле, позволяющего с единых позиций проанализировать характеристики различных процессов, сопровождающих прохоадение частиц через присталл. В этом плане измерения
угловых v. спектрэльно-угловл.. lit.::^:^:::^::::. гред'-'тавлнег одні из наиболее информативных мєїодг.і eh:,гер: .'.'.ьі'с.іь-іогс исследования npOUQCCQ И8ЛУЧЄКИ)І, ПОСКОЛЬКУ Олі' ЬсіСЬЦ; ЧуВСТЬИТьЛЬНЬ-' І
проявлению того или иного механизма процесса- Такие измерение однако до настоящего времени был»: проведень: липь е немноги:: экспериментах, а их результаты носят отрывочный характер.
Характеристики излучении, сопровождающего прохоздение релятивистских ааряженных частиц в кристалле, в большой степени определяются динамикой их движения в поле упорядочений расположенных в кристалле атомов, поэтому исследование процесса-прохождения частиц через кристалл также представляет актуальную задачу. Экспериментальные исследования в этом направлении в основном проводились вне зависимости от проблемы излучения.
Большинство работ по исследованию процесса прохокдения электронов, позитронов было проведено при энергиях частиц 1-20 МэВ. Однако при энергии частиц непревышающей нескольких десятков МэВ существенным является квантовый э^ект во взаимодействии с кристаллом, поснольку число уровнеіі поперечного движения при таких энергиях не велико.
Начиная с энергии порядка нескольких сотен МэВ справедливо классическое представление о взаимодействии зарякенных частиц с кристаллами. Общее число работ по динамике частиц в кристалле, относящихся к этому диапазону энергий сравнительно не велико.
В первых работах по динамике частиц в кристалле экспериментальные результаты были получены в условиях невысокого пространственно-углового разрешения и с использованием кристаллов средней толщины, при которой велик вклад кекогерентного рассеяния в угловое распределение прошедших через кристалл частиц. В силу
этих причин не могла наблюдаться гонкая структура угловы:с распределений, нэ которую указывали, например, результаты численного моделирования. Для исследования этой структуры необходимо проведение экспериментов с кристаллами малой толщины з условиях зысоного углового разрешения.
использование электронов с энергией І ГзВ з экспериментах по генерации гамма-излучения представляет особый интерес з связи с тем, что максимум интенсивности излучения з этом случае оказывается з области спектра иютонов соответствующей гигантскому резонансу для ііотондерньїх реакций, з интенсивность пглучения в этой области спектра з 20іЗО раз превышает интенсивность излучения в аморфной среде. Зто открывает перспективы использования такого источника излучения для широкого круга задач з ядерної! лизине и радиационной ьатерпзловедении.
Экспериментальные исследования динамики прохождения релятивистских электронов через кристаллы и характеристик генерируемого пин излучения о.отоноз з комплексе до настоящего зренени не проводились. Особенно это касается экспериментального исследования взаимодействия электронов с энергией ~1 ГэВ с тонкими (10 * 50 мкм) кристаллами.
изучению отмеченных вопросов посвящена дзннзя диссертация.
Целью работы язляется экспериментальное исследование особенностей угловых распределений релятивистских электронов и их излучения при прохождении через монокристаллы Si , з токіле ионизационных потерь энергии электронов в зависимости от ориентации и толщины кристалла,
С этой целью была разработана экспериментальная методика, позволяющая с высокий разрешением регистрировать угловые распределения рассеянных на кристалле частиц и излучаемых ими гамма-
-квантов; проведены эксперименты на пучнэх электронов с энергией 3CO-I200 МэВ с использованием мишени иг монокристаллов кремнии в широкой диапазоне толщины.
Неучдня новизна работы. Проведенные эксперименты позволили впервые наблюдать кольцевую структуру рассеянного пучна ультра-релятивистских электронов при углах ориентации оси кристалла относительно направления падающего пучка значительно меньших, чеы угол осевого наналирования, а танже измерить ориентационную зависимость некогерентного рассеяния электронов.
Впервые было показано, что наблюдаемые в эксперименте особенности в ориентационной зависимости углоього распределения релятивистских элентронов, рассеянных на тонком кристалле, могут быть описаны только с одновременным учетом как когерентного азимутального рассеяния, так и рассеяния по полярному углу, связанного с начальным распределением частиц по прицельным параметрам их влёта е поле цепочки и некогерентныы рассеянием на отдельных атомах.
В широком диапазоне толщин кристалла экспериментально исследована ориентэционнэя зависимость углоъого распределения гаи-ыэ-kbshtob, излучаемых электронами в кристалле. Показано, что измеренные характеристики излучения хорошо описываются расчётами по теории излучения надбарьерных электронов с учетом многократного рассеяния на атомные цепочках (для кристаллов средней толщины) и учётом некогерентногс рассеяния для толстых кристаллов.
Впервые проведены изыерениь ориентационной зависи ости ионизационных потерь энергии релятивистских электронов в кристалле путём регистрации акустического иьн^льса возб''здэеного при их прохождении через кристалл.
Практическая ценность работы. Предложенная в работе методика регистрации элеятронов, рассеянных на кристалле, а тэиже гвмма-квантов, излучэемых ими, с помощью малогабаритной ионизационной твердотельной намеры, может быть использована для ориентирования кристаллов относительно пучка падающих чвстиц, для измерения угловых распределений пучков элентронов и гамма-квантов. Результаты проведенных в работе измерений, а танже выводы, полученные при сравнении экспериментальных результатов с расчётами характеристик процессов рассеяния и излучения электронов в ориентированных кристаллах, представляют прантичесний знлад в решение вопросов, связанных с созданием источника гамма-излучения на основе взаимодействия релятивистских заряженных частиц с кристаллами.
На защиту зыносятся:
I. Экспериментальная методика исследования структуры угловых распределений электронов и гамма-излучения с использованием миниатюрной полупроводниковой ионизационной намеры (с угловым разрешением 10" рад).
2. Результаты экспериментального исследования ориентационной
зависимости угловых распределений релятивистских элентронов с
энергией I ГэВ в мононристаллах Si различной толщины:
а) Обнаружение кольцевой структуры рассеяния на тонном крис
талле нремния ( L « 30 ыкм, Ее ~ I ГэВ) при углах ориентации
оси кристалла значительно меньших угла Линдхарда ( < ч-'Ю ).
б) Обнаружение ориентационной зависимости ширины кольца
азимутального рассеяния
3. Расчёты некогерентного рассеяния элентронов с учетом раз
броса частиц по параметрам их влёта в поле атомных цепочек, по-
вводившие объяснить наблюдаемые ъ ькспериыекте осооешюсти в ориентэционной зависимости прохождения і. угловое распределении рассеянных частиц пр:: углах падения меньших чел критический угол осевого наналировакия.
4. Результаты измерения ориентационной зависимости угловых
распределений излучения гашз-квактов релятивистскими электрона
ми в монокристаллах кремния в диапазоне толщин кристаллов
70 * 15000 мкм.
-
Расчёты ориентэционной зависимости угловых распределений. гамма-излучения в рамках теории излучения надбарьерных электронов, показавшие хорошее согласие с экспериментам.
-
Методика экспериментального исследования ориентэционной зависимости ионизациокных потерь энергии релятивистских электронов в кристалле по акустическому эффекту их взаимодействия.
-
Результаты намерения ионизационных потерь энергии ультра-релятивистских электронов в тонких и толстых кристаллах, показавшие, что в тонких кристаллах ионизационные потери не зависят от ориентации кристалла, а обнаруженная зависимость ионизационных потерь от ориентации кристалла с максимумом при осевой ориентации в толстом ( L,~ L ), обусловлена вкладом в ионизацию вторичных частиц.
Диссертация состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и Списке литературы.
