Введение к работе
Актуальность темы
Радиационные процессы при движении заряженных частиц в электромагнитных полях равно как и явления связанные с ними постоянно находятся в центре внимания исследователей как теоретиков так и экспериментаторов
Среди всех видов таких процессов особое место вследствие сочетания фундаментальности свойств и важности научно-технических приложений занимает синхротронное излучение (СИ) а также генетически связанные с ним излучения в ондуляторе (ОИ) в поле электромагнитной волны и с дуги окружности в коротком магните
Синхротронное излучение обозначилось как самостоятельный объект изучения в процессе разработки машин для ускорения заряженных частиц благодаря своим уникальным свойствам За последние 10 лет в работу введены более 20 таких машин несмотря на их дороговизну Общее же количество синхротронов и накопительных колец в мире около 50 При этом они предназначены в основном не для ускорения заряженных частиц а исключительно для получения СИ и его последующего использования Общее число индивидуальных пользователей имеющих доступ к СИ в мире уже превысило 20000 Поэтому любые продвижения на пути обнаружения новых свойств и приложений СИ весьма важны а исследования свойств СИ несомненно относятся к наиболее актуальным задачам физической науки
Важной особенностью исследований по теории движения и излучения в полях синхротронного типа является то, что они относятся к классу немногочисленных так называемых точно-решаемых моделей в теоретической физике
Существенный вклад в построение и развитие теории СИ внесли российские ученые Л А Арцимович В Г Багров В Л Гинзбург Д Д Иваненко И Я Померанчук А А Соколов И М Тернов и др
В настоящее время теория излучений синхротронного типа представляется вполне завершенной хотя в данной сфере имеются определенные проблемы В частности все основные выражения описывающие излучение анализировались для предельных нерелятивистского и ультрарелятивистского случаев В результате этого поведение угловых и спектральных характеристик СИ оказалось недостаточно изученным для широкого диапазона квазирелятивистских энергий
Важной стороной физики радиационных процессов является изучение и анализ явлений которые их сопровождают и которые могут представлять отдельный самостоятельный интерес Так в СИ - это эффекты кванто-
вой раскачки и радиационной самополяризации релятивистских электронов Получение релятивистских частиц с преимущественной ориентацией спина важно при проведении экспериментов в физике высоких энергий и исследованиях в области физики твердого тела Несмотря на то что эффект радиационной самополяризации частью решает проблему тем не менее дальнейший прогресс в физике поляризованных электронов в первую очередь зависит от новых методов их получения и изучения механизмов поляризации
Одной из важнейших задач современной математической физики является получение точных решений с последующим их анализом и применением при построении различных теорий и моделей Количество точно-решаемых моделей в квантовой теории не слишком велико1 Поэтому получение новых точно-решаемых моделей в теоретической физике представляется весьма актуальным Особенно актуальным в этом смысле является получение точных решений в (3+1) и (2+1) размерности моделей КЭД что предопределяет дальнейший прогресс в физике элементарных частиц и теории сверхпроводимости
СИ представляет собой такой феномен на фоне которого ярко проявляются другие физические явления и эффекты К таковым относится и эффект Ааронова-Бома (А-Б) играющий особую роль в квантовой теории Следует отметить что исследования эффекта Ааронова-Бома в настоящее время представляют интерес и с практической точки зрения в контексте так называемых нанотехнологий Система колец Ааронова-Бома связанных в цепочку рассматривается в качестве квантового транспорта в мезо-скопических системах Начальный этап развития новой интересной области технической физики - электронной голографии непосредственно связан с эффектом А-Б Уже рассматриваются технологии построения транзистора А-Б к достоинствам которого относят сверхвысокое быстродействие достигающее терагерцового диапазона Поэтому исследования в данной области являются весьма интересными и перспективными
Таким образом актуальность данного диссертационного исследования определяется с одной стороны фундаментальным аспектом анализа процессов излучения частиц во внешних полях и связанных с ними явлений а с другой стороны практической необходимостью изучения характеристик и свойств радиационных процессов
'Bagrov V G Gitman D М Exact Solutions of Relativistic Wave Equations Dordrecht/Boston/London Kluver Academic Publishers 1990 - 323 p См также Багров В Г Точные решения релятивистских волновых уравнений/ Багров В Г Гитман Д М Тернов И М Халилов В Р Шаповалов В Н - Новосибирск Наука, 1982 - 143 с
Цель диссертационной работы.
В теоретическом плане основной целью диссертационной работы является дальнейшее развитие теории электромагнитных процессов сопровождающих движение заряженных частиц в различных электромагнитных полях Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи
исследование угловых и спектральных распределений синхротронного излучения во всем диапазоне скоростей (энергии) заряженной частицы
изучение распределения по гармоникам мощности спонтанного излучения релятивистского электрона в ондуляторе
исследование механизма поляризации и самополяризации электронов в связанном и свободном состояниях под воздействием поля электромагнитной волны а также изучение влияния спина на угловое распределение электронов и излучения
определение всех внешних электромагнитных полей которые в комбинации с полем Ааронова-Бома допускают точные решения волновых уравнений Дирака и Кляйна-Гордона в (3+1) и (2+1) КЭД
исследование влияния поля Ааронова-Бома на свойства синхротронного и циклотронного излучения бесспиновых и дираковских частиц
В практическом плане целью данной работы является
расчет характеристик излучения с использованием полученных точных решений релятивистских уравнений движения
количественный и качественный анализ точных выражений мощности спектрально-углового распределения изучения изучение влияния спинового состояния электронов на характеристики излучения
Научная новизна работы определяется тем что впервые
-
Подробно исследованы угловые и спектральные распределения компонент поляризации синхротронного излучения в широком диапазоне энергий частицы Введены новые точные количественные характеристики качественных особенностей спектрально-углового распределения СИ
-
Показано существование различий в поведении углового распределения спектральной и интегральной мощности СИ Установлено новое свойство деконцентрации в угловом распределении мощности СИ для каждой фиксированной спектральной гармоники
-
Рассмотрено излучение ультрарелятивистских электронов в плоском магнитном ондуляторе траектория которого определяется некоторой параметрически заданной периодической функцией Установлено что предельное ультрарелятивистское выражение распределения по гармоникам мощности спонтанного излучения является функционалом от силы онду-
лятора Определен явный вид этого функционала
-
Изучено энергетическое взаимодействие поливинтового пучка электронов с полем электромагнитной волны произвольной поляризации распространяющейся вдоль магнитного поля в условиях резонанса и без него
-
Проведено исследование механизма поляризации фотоэлектронов при фотоионизации атома в nSi/2 и гаРуг-состояниях Определено влияние ориентации спина на динамику их углового распределения
-
Показана возможность получения поляризованных электронов при их движении в поле плоской электромагнитной волны круговой поляризации Дан анализ углового распределения излучения в зависимости от состояния спина
-
Рассмотрен новый класс точно-решаемых задач о движении заряженных частиц во внешних электромагнитных полях специальной конфигурации представляющих собой комбинации поля соленоида Ааронова-Бома электрических и магнитных полей
-
Найдены функциональные преобразования переводящие соответствующие уравнения Кляйна-Гордона и Дирака для указанных полей в дифференциальные уравнения с меньшим числом переменных
-
Получены и проанализированы точные решения релятивистских волновых уравнений в суперпозиции полей с полем Ааронова-Бома выражаемых через специальные функции
-
На основе полученных точных решений построена точная теория излучения скалярных и спинорных частиц
-
Проведен детальный анализ влияния поля Ааронова-Бома на свойства синхротронного и циклотронного излучения
Основные положения, выносимые на защиту
1 Разработка методов численного анализа угловых и спектральных распределений синхротронного излучения на всем интервале возможных энергий частицы Введение новых количественных характеристик степени угловой концентрации излучения и направления в окрестности которого эта концентрация происходит - эффективный угол излучения и угол отклонения 2 Теоретическое доказательство существенного отличия в эволюции (с ростом энергии частиц) углового распределения спектральных и интегральных (просуммированных по спектру) характеристик СИ Это отличие заключается в эффекте деконцентрации когда эффективный угол излучения отдельно взятой гармоники с ростом энергии частицы возрастает а максимум в угловом распределении удаляется от плоскости орбиты стремясь к конечному значению при неограниченном увеличении энергии Для
интегрального же углового распределения эти характеристики убывают и стремятся к нулю (концентрация излучения)
-
Теоретический анализ спектрального распределения синхротронного излучения степени линейной и круговой поляризации СИ в зависимости от энергии частицы
-
Разработка теории излучения релятивистского электрона при его движении в плоском магнитном ондуляторе траектория которого представляет собой параметрически заданную кривую и результаты численного анализа излучения для трех типов полей
-
Обоснование и анализ методов получения поляризованных по спину электронов при фотоионизации атома и в процессе излучения электрона движущегося в поле электромагнитной волны круговой поляризации
-
Метод получения точных решений релятивистских волновых уравнений (Кляйна-Гордона и Дирака) в (3+1) и (2+1) КЭД для заряда движущегося в сложном электромагнитном поле - суперпозиции поля Ааронова-Бома и комбинации электрических и магнитных полей определенной конфигурации
-
Доказательство существования простого унитарного преобразования убирающего целую часть магнитного потока поля Ааронова-Бома в результате действия которого (преобразованные) волновые функции зависят только от мантиссы (неотрицательной дробной части) магнитного потока поля А-Б Во всех решаемых случаях при ненулевой мантиссе существуют значения параметров когда нарушается самосопряженность исходных уравнений Эффект Ааронова-Бома в общем случае связан с перестройкой волновых функций и поэтому может проявляться во всех физических явлениях
-
Теоретический анализ влияния поля Ааронова-Бома на радиационные процессы (на свойства синхротронного и циклотронного излучения) с участием бесспиновых и дираковских частиц Проявления эффекта Ааронова-Бома в синхротронном излучении зависят только от мантиссы магнитного потока соленоидального поля но не от его абсолютной величины и они имеют место только при ненулевой мантиссе Наиболее яркими проявлениями эффекта Ааронова-Бома являются
возможность излучения сверхнизких частот не излучаемых при нулевой мантиссе
квантовая деформация спектра излучения выражающаяся в равновероятном излучении группы частот даже в слабом однородном поле и при нерелятивистском движении частиц
изменение углового распределения излучения при ненулевой мантиссе
возникновение поляризованного по кругу излучения в направлении оси соленоида с равномерно распределенной по гармоникам мощностью
сложная зависимость поляризации излучения от мантиссы магнитного потока и от типов переходов
возможность деполяризующего влияния ненулевой мантиссы в известном явлении спиновой радиационной самополяризации электронного пучка
полное снятие вырождения излучаемой мощности по орбитальному квантовому числу I ослабление влияния ненулевой мантиссы магнитного потока с увеличением I
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации теоретических результатов основаны на использовании твердо установленных фундаментальных положений физической науки в частности классической и квантовой электродинамики на применении разнообразных методов теоретического анализа и численного моделирования при исследовании одной и той же проблемы на удовлетворительном согласии расчетных данных с экспериментальными и теоретическими результатами представленными в трудах отечественных и зарубежных авторов
Практическая значимость Полученные в диссертации результаты представляют интерес прежде всего для специалистов работающих с СИ Точные решения проанализированные в работе могут найти применение для расчета различных физических процессов а также стать основой для изучения новых физических явлений Проявления эффекта Ааронова-Бома в синхротронном и циклотронном излучении могут служить основой для проведения различных экспериментов
Личный вклад автора. Диссертационная работа представляет итог самостоятельной работы автора обобщающей результаты полученные им самим а также в соавторстве с коллегами Своими исследованиями изложенными в данной диссертации автор внес существенный вклад в постановку общих и конкретных задач проведение расчетов и анализ полученных результатов Диссертант искренне благодарен соавторам участвовавшим в проведении и верификации расчетов а также в обсуждении постановки отдельных задач и полученных результатов Все основные результаты отраженные в диссертации и выносимые на защиту получены при личном участии автора
Апробация работы
Основные результаты положенные в основу диссертации докладывались на следующих научных конференциях на Всесоюзной школе молодых ученых "Излучение релятивистских частиц"(Москва МГУ 1983 г) на Региональной теоретической конференции молодых ученых Северного
Кавказа (Майкоп 1991) на XIV и XVI Международных летних школах-семинарах по современным проблемам теоретической и математической физики "Волга-2002" "Волга-2004" (Казань 2002 2004) на Международных симпозиумах "Излучение релятивистских электронов в периодических структурах "(Томск 1989 1993 1997) на Международной конференции "XXI Encontro Nacional de Fisica de Particulas e Campos "(Бразилия Sao Ьоигепсона 23-27 окт 2000 г) на VI международном симпозиуме RREPS-03(Radiation from Relativistic Electrons m Periodic Structures) - Томск 8-11 сентября 2003 г на XIV Российской конференции по использованию синхротронного излучения в Институте ядерной физики им Г И Будкера СО РАН Сибирский Центр Синхротронного Излучения (Новосибирск 15 - 19 июля 2002 2004) на научно-практических конференциях Адыгейского госуниверситета 1999-2005 гг на XI и XII Международных конференциях по физике элементарных частиц "Ломоносовские чтения"(Москва МГУ 2003 2005) Кроме этого материал изложенный в диссертации обсуждался на теоретических семинарах в ТГУ (Томск) АГУ МГТИ (Майкоп) в Институте теоретической физики ОИЯИ (Дубна)
Результаты исследований опубликованы в 40 статьях библиографический список основных из них приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения четырех глав, приложения и библиографического списка содержащего 312 наименований Текст диссертации составляет 283 страницы содержит 30 рисунков и 5 таблиц Часть материалов находится в свободном доступе в компьютерной сети ИНТЕРНЕТ на русском и английском языках по адресам http //www adygnet ru http //arxiv org (hep-th/0001527 hep-th/0001108 hep-th/0201068 quant-ph/0011022)
