Введение к работе
Актуальность темы
Движение заряженных частиц внутри кристалла вдоль каналов, образованных параллельными рядами атомов или плоскостей (каналирование заряженных частиц) было предсказано американскими физиками М. Т. Робинсоном и О. С. Оуэном в 1961 году и экспериментально обнаружено в 1963 - 1965 гг.
Каналирование ускоренных частиц позволяет исследовать
электродинамические процессы при сильных внешних полях. Поэтому на протяжении многих лет физиков интересует электромагнитные явления, связанные с прохождением заряженных частиц через монокристаллы, в том числе, с генерацией электромагнитного излучения в режиме каналирования. С помощью экспериментов и теорий, описывающих ориентационные эффекты в кристаллах, на основе принципов каналирования создаются новые источники рентгеновского и гамма-излучения, состоящие из ускорителей электронов или позитронов и точно ориентированных кристаллов германия, кремния или других элементов. Подобные кристаллы, поглощающие высокоэнергетическое излучение, могут служить детекторами гамма-излучения, угловое разрешение которых намного лучше, чем у устройств, применяемых в настоящее время.
Каналирование тяжелых частиц обладает рядом особенностей. Вследствие большой массы такие частицы испытывают малое ускорение при поперечных колебаниях в канале кристалла. Как известно, интенсивность излучения заряда пропорциональна квадрату ускорения и следовательно, обратно пропорциональна квадрату массы. В результате интенсивность излучения тяжелых частиц оказывается на несколько порядков ниже чем интенсивность излучения электронов или позитронов. Кроме того, значительная масса обусловливает низкую частоту колебаний частицы и, следовательно, низкую частоту излучения.
Помимо излучения самой каналированной частицы генерируется излучение, связанное с возбуждением колебательных степеней свободы атомов кристаллической решетки. Этот тип излучения исследован значительно меньше.
Особенность рассматриваемого излучения состоит в том, что фазы колебаний атомов коррелируют между собой, поскольку колебания возбуждаются одной и той же каналированной частицей. Поэтому излучение следует рассматривать как когерентное. Тот факт, что вибрации решетки возбуждаются релятивистской частицей, приводит к резонансному усилению излучения под определенным углом к направлению движения частицы, соответствующем доплеровскому смещению частоты. Очевидно, что исследование спектра рассматриваемого излучения дает возможность измерять частоты собственных колебаний молекул и кристаллов. Это открывает широкие возможности для идентификации веществ и исследования происходящих в них превращений под влиянием внешних воздействий. Преимуществом данного метода возбуждения колебаний решетки заключается в том что регистрация излучения при каналировании частиц в разных
кристаллографических плоскостях или вдоль разных осей кристалла позволяет получать более детальную информацию о структуре кристалла.
Степень разработанности
Исследованы основные свойства излучения атомов кристалла, возбужденных каналированной частицей. Решены уравнения движения для осциллирующих атомов кристаллической решетки. Получены формулы для поля излучения атомов и суммарного поля создаваемого частицей и атомами. Получены формулы для углового и спектрально-углового распределения излучения цепочки атомов при плоскостном и аксиальном каналировании.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью данной работы является теоретическое исследование поля излучения, обусловленного колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки, возбужденных каналированной частицей.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Решить уравнения движения атомов в узлах кристаллической решетки.
Рассчитать поле излучения цепочки колеблющихся атомов.
Построить угловое распределение интенсивности излучения атомной цепочки.
Рассчитать и построить спектрально-угловое распределение излучения атомной цепочки.
Рассчитать суммарное поле, создаваемое каналированной частицей и атомами решетки.
Исследовать соотношение интенсивности излучения каналированной частицы и интенсивности излучения, вызванного колеблющимися атомами.
Построить угловое распределение результирующего излучения как
суперпозицию полей, создаваемых каналированной частицей и атомами.
Проанализировать зависимости характеристик излучения от энергии и
массы каналированной частицы.
Научная новизна
Впервые решены уравнения движения для заряженного гармонического осциллятора в поле вынуждающей силы пролетающей заряженной частицы.
Впервые рассчитано поле излучения атомной цепочки, возбужденной каналированной частицей.
Впервые получены формулы для спектрально-углового, углового распределения излучения атомной цепочки и интегрального по углам спектра излучения. Показано, что спектр излучения нерелятивистских осциллирующих атомов имеет особенности, характерные для спектра излучения релятивистской частицы.
Впервые исследованы поляризационные свойства излучения цепочки атомов.
Впервые построены трехмерные диаграммы углового и
спектрально-углового распределения излучения атомной цепочки.
Впервые рассчитано и построено угловое распределение суммарного поля излучения атомов и каналированной частицы.
Теоретическая и практическая значимость
Исследование рассмотренного эффекта открывает широкие возможности для экспериментального изучения колебательных уровней энергии атомов кристалла и, тем самым, для идентификации веществ и исследования происходящих в них превращений под влиянием внешних воздействий.
При каналировании частиц в разных кристаллографических плоскостях или вдоль разных осей кристалла, данный метод возбуждения колебаний решетки позволяет получать более детальную информацию о структуре и свойствах кристалла.
Анализ спектра рассматриваемого излучения дает возможность измерять частоты собственных колебаний молекул и кристаллов.
Полученные результаты дают новый инструмент для исследования свойств твердых тел.
Методология и методы исследования
При исследовании динамики атомов кристаллической решетки использовались методы классической механики. При расчете поля излучения атомной цепочки использовались стандартные методы классической электродинамики.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Решение уравнений движения ядра в процессе его взаимодействия с каналированной частицей. Асимптотика решений при больших временах дает амплитуду гармонических колебаний ядра в узле кристаллической решетки.
-
Расчет и построение спектрально-углового распределения излучения атомной цепочки при аксиальном каналировании и атомной плоскости при плоскостном каналировании. Интегральный по углам спектр излучения имеет следующие особенности: 1) границы спектра определяются частотой колебаний каналированной частицы, 2) при достаточно малом значении коэффициента затухания спектр имеет форму острого пика на частоте излучения, совпадающей с частотой колебаний атомов.
3. Расчет углового распределения интенсивности излучения возбужденных атомных цепочек. Зависимость интенсивности излучения от частоты колебаний каналированной частицы Q' , смещенной эффектом Допплера, и частоты колебаний атомов а имеет типично резонансный характер. Если коэффициент затухания колебаний атомов стремится к нулю и Q! = co , то интенсивность излучения в данном направлении стремится к бесконечности.
4. Степень поляризации излучения атомов. При плоскостном каналировании излучение поляризовано в плоскости, проходящей через нормаль к кристаллографической плоскости и направление излучения. При аксиальном
каналировании излучение имеет эллиптическую поляризацию, вырождающуюся в круговую в направлении оси каналирования и в линейную - в направлении, ортогональном этой оси.
5. Расчет суммарного поля, создаваемого каналированной частицей и атомами решетки. Полученные выражения для компонент суммарного поля зависят, главным образом, от отношений между коэффициентом затухания колебаний атомов, частотой колебаний атомов в узлах кристаллической решетки и частотой колебаний каналированной частицы.
Степень достоверности
При изучении данного эффекта были использованы стандартные и проверенные методы теоретической физики, а также модели твердого тела, проверенные в других теориях. Полученные результаты опубликованы в рецензируемых журналах.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: Всероссийская с международным участием конференция «Наука и образование», Томск (2010, 2011, 2012, 2013); Международная школа-конференция «Современные проблемы физики», Минск, Беларусь (2012); Международная школа-конференция по физике конденсированного состояния «ФКС - 2013», Санкт-Петербург (2013);
По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи - в журналах из списка рекомендованных ВАК [1-3].
Структура и объем диссертации
