Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Электромагнитные процессы при прохождении частиц высоких энергий через кристаллы и интенсивные внешние поля

У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Электромагнитные процессы при прохождении частиц высоких энергий через кристаллы и интенсивные внешние поля

Количество страниц	256

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	23294.doc

Содержание	Содержание Введение 5 1 Прохождение релятивистских частиц через ориентированные кристаллы 17 1.1 Статистическое равновесие в поперечном фазовом пространстве... 19 1.2 Проблема деканалирования. Кинетические уравнения ... 28 1.3 Угловые распределения в ориентированных кристаллах . . 39 1.4 Асимметричное распределение аксиально каналированных электронов по угловым моментам ... 45 1.5 Выводы к главе 1... 55 2 Излучение ультрарелятивистских электронов в ориентированных кристаллах 56 2.1 Излучение ультрарелятивистских электронов... 60 2.2 Излучение при квазипериодическом движении... 65 2.3 Квантовый синхротронный предел... 70 2.4 Излучение в толстых кристаллах при средних энергиях . 76 2.5 О возможности циркулярной поляризации излучения релятивистских позитронов при каналировании в кристаллах типа цинковой обманки... 83 2.6 Выводы к главе 2... 93 3 Модификация некоторых процессов квантовой электродинамики в ориентированном кристалле 94 3.1 Процессы во внешнем поле, нарушающем стабильность вакуума ... ... 95 3.2 Тунелирование в потенциале инстантонного типа ...103 3.3 Процессы, связанные с модификацией тока заряженных частиц в кристаллах...109 3.4 Глубоко-неупругое рассеяние лептонов на адронах во внешнем поле кристалла...119 3.5 Двухфотонные процессы в ориентированном кристалле...128 3.6 Возможность управления спектром реальных и виртуальных фотонов...133 3.7 Исследование жесткой части спектра электромагнитного излучения позитронов при прохождении через монокристаллы ...138 3.8 Квазиклассическая теория вычисления матричных элементов для вероятностей глубоких переходов в произвольном плоскостном потенциале ...145 3.9 Выводы к главе 3...153 4 Моделирование процессов прохождения электронов через ориентированные кристаллы 155 4.1 Моделирование прохождения и излучения при энергиях свыше 100 ГэВ. Диффузионное приближение...158 4.2 Моделирование с точным учётом многократного рассеяния 170 4.3 Спектры излучения одиночных фотонов при энергиях свыше 100 ГэВ...175 4.4 Некогерентное излучение в кристаллах при средних энергиях...189 4.5 Выводы к главе 4...203 5 Взаимодействие релятивистских электронов с полем те-раваттных лазеров 205 5.1 Общая характеристика излучения релятивистских электронов, движущихся в поле лазера. Сравнение с излучением при каналировании...207 5.2 Дипольное приближение для лазерных источников излучения и излучения при каналировании ...210 5.3 Анализ экспериментальных результатов ...216 5.4 Квантовый дипольный спектр...220 5.5 Уравнения движения электрона в поле плоской волны . . 224 5.6 Классическая теория нелинейных эффектов в излучении релятивистских электронов в поле интенсивной лазерной волны...228 5.7 Классический синхротронный предел...233 5.8 Квантовая теория нелинейных эффектов в излучении релятивистских электронов в поле интенсивной лазерной волны ...237 5.9 Классификация процессов взаимодействия релятивистских электронов с лазерным излучением ...247 5.10 Выводы к главе 5...252 Выводы...253 Литература...256 Введение Актуальность проблемы Большое число экспериментальных работ, выполняемых на пучках электронов и позитронов с энергиями 70 - 240 ГэВ (ЦЕРН), начиная со второй половины 80-х годов и до самого последнего времени, показывает, что радиационные эффекты, сопровождающие прохождение таких пучков через кристаллы вблизи атомных цепочек и плоскостей, усиливаются на два порядка по сравнению с разориентиро-ванными мишенями и аморфными средами. Эффект связан с когерентным воздействием атомов кристаллографических осей и плоскостей на движущиеся под достаточно малыми к ним углами электроны. Влияние кристаллической решётки на движение заряженных частиц в этом случае можно описывать непрерывным потенциалом атомных цепочек и плоскостей. Электрические поля, действующие на электроны, движущиеся в таком потенциале, достигают величин ~ 1011 В/см. Соответственно, поле, действующее на электрон с энергией ~100 ГэВ в его собственной системе отсчёта, будет порядка критического поля Швингера (1.3 х 1016 В/см). Таким образом, ориентированный кристалл (ОК) представляет собой естественный полигон, позволяющий проверить квантовую электродинамику (КЭД) на коротких расстояниях, в том числе и в условиях, когда неприменима теория возмущений по радиационному взаимодействию. Актуальность проблем влияния интенсивного внешнего поля на радиационные процессы усиливается в связи с введением в скором будущем ускорителя LHC в ЦЕРНе с энергиями до нескольких ТэВ, что даст возможность изучать процессы КЭД в ОК с полями, превышающими критическое поле Швингера на два порядка. Другой важной стороной физики ориентационных эффектов при высоких энергиях является изучение возможностей использования ориентированного кристалла как преобразователя кинетической энергии электронов в гамма излучение с эффективностью до нескольких излучённых фотонов на электрон. Эксперименты и теоретические исследования излучения при каналировании (квазиканалировании) (ИК) показывают, что в настоящее время обсуждаемый механизм генерации гамма излучения не имеет конкурентов по эффективности при энергиях свыше 100 ГэВ и является наиболее многообещающим. Актуальность изложенных в данной диссертации проблем определяется, таким образом, с одной стороны, фундаментальным аспектом анализа процессов КЭД в сильных (т.е. превышающих поле Швингера) внешних полях, и, с другой, практической необходимостью знать такие количественные характеристики радиационных процессов в ОК, как спектр энергетических потерь электронов, число и спектр фотонов, излучаемых электронами и другие. Движение и излучение электронов в ОК во многом похоже на соответствующие процессы в поле лазерной волны. Начиная с середины 90- х годов появились эксперименты, в которых наблюдаются нелинейные эффекты генерации высших гармоник при прохождении электронов с энергиями в несколько десятков ГэВ через лазерное излучение с интенсивностью в импульсе порядка 1 ТВт. Напряжённость электромагнитного поля в фокусе таких лазеров соизмерима с тем, что имеет место в ОК. Поэтому становится актуальным вопрос изучения физики радиационных процессов в поле тераваттных лазеров и сравнение последних с ОК с точки зрения эффективности генерации интенсивных потоков гамма квантов, обладающих определёнными свойствами (число фотонов на электрон, степень монохромматичности, поляризационные свойства и т.д.). Анализ процессов, сопровождающих движение релятивистских электронов в ОК, существенно усложняется такими вторичными факторами как многократное рассеяние, влияние квантовой отдачи при излу-чени и другие. Экспериментально информацию о роли таких эффектов можно получить изучая угловые распределения электронов на выходе из кристалла. Актуальным поэтому является построение теории угловых распределений. Проблема получения поляризованных пучков рентгеновского и гамма излучения традиционно является актуальной в современной физике. Особый интерес представляет собой случай циркулярной поляризации. В настоящей диссертации рассматриваются новые возможности получения циркулярно поляризованных гамма квантов. Целью диссертационной работы является построение теории электромагнитных процессов, сопровождающих прохождение ультрарелятивистских электронов и позитронов через ориентированные кристаллы и интенсивные лазерные поля. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи: - исследование угловых распределений электронов и позитронов высоких энергий в толстых ОК с учётом многократного рассеяния и углового момента электронов относительно атомной цепочки; - изучение влияния деканалирования и прецессии поперечных траекторий на излучение при аксиальном каналировании в толстых кристаллах; - поиск новых методов получения циркулярно поляризованных интенсивных пучков рентгеновского и гамма излучения; - построение функции Грина электрона и выяснение эффектов сильного поля в ОК, таких как нестабильность вакуума, физика двухфотон- ных процессов, глубоко неупругое рассеяние лептонов на адронах; - разработка точных квантово - механических методов расчёта спектров ИК при энергиях в несколько десятков ГэВ; - определение возможностей ОК как источника жёсткого гамма излучения в области энергий электронов (позитронов) 150 ГэВ - 4 ТэВ, уделив особое внимание спектрам одиночных фотонов, которые до настоящего время экспериментально не изучены; - сравнение излучения в ОК с излучением релятивистских электронов в поле тераваттных лазеров (лазерные источники излучения - ЛИИ) с учётом нелинейных эффектов генерации высших гармоник в ЛИИ. Научная новизна результатов определяется тем, что впервые: 1. Разработана теория угловых распределений ультрарелятивистских электронов и позитронов в ОК с учётом деканалирования и углового момента электронов, а также развит метод расчёта спектров излучения аксиально каналированных электронов с учётом прецессии поперечных траекторий в толстых монокристаллах; 2. Показана возможность получения асимметричного распределения по угловым моментам при аксиальном каналировании в системе из двух кристаллов. Предсказывается возможность получения циркулярно поляризованных гамма квантов при плоскостном каналировании в кристаллах с асимметричным непрерывным потенциалом; 3. Установлено, что нестабильность вакуума в поле ОК может влиять на радиационные процессы при энергиях свыше ста ГэВ за счёт неоднородности поля непрерывного потенциала. Развит непертурбативный инстантонный подход к решению проблемы рождения электронно - по-зитронных пар из вакуума в поле ОК; 4. Построена теория процессов второго порядка по радиационному взаимодействию в ОК, таких как рассеяние и соответствующие кроссинг процессы. Рассмотрен процесс глубоко неупругого рассеяния электронов на адронах в ОК и показано, что для малых значений квадрата переданного импульса может иметь место увеличение сечения на один-два порядка; 5. В рамках метода виртуальных фотонов рассмотрен процесс двух-фотонного рождения частиц в поле ОК и показано, что имеет место радиационное усиление по сравнению с аморфной мишенью; 6. Предложен метод управления спектром виртуальных фотонов с целью добиться усиления вероятностей процессов в поле ОК по сравнению с аморфной средой; 7. Реализован метод точных решений КЭД на примере квантовомеха-нического расчёта спектров излучения позитронов с энергиями в несколько десятков ГэВ вне рамок приближения постоянного поля; 8. Изучены спектры одиночных фотонов при энергиях электронов 150 ГэВ - 4 ТэВ и предсказан эффект подавления излучения крайне жёстких фотонов при аксиальном каналировании в ОК при энергиях 150-300 ГэВ по сравнению с аморфной мишенью. Предсказывается наличие минимума в зависимости радиационной длины от энергии электронов; 9. Построена теория некогерентного тормозного излучения (ТИ) в толстых ОК. Выяснен характер зависимости усиления выхода излучения от толщины кристалла; 10. Нелинейные эффекты генерации высших гармоник в спектрах излучения электронов в поле тераваттных лазеров изучены в рамках квазиклассического операторного подхода Байера-Каткова. Установлены существенные отличия в свойствах излучения ультрарелятивистских электронов в поле интенсивной лазерной волны и в ОК и дана классификация процессов взаимодействия релятивистских электронов с лазерным излучением во всей области энергий электронов и интенсивностей лазерного излучения, достижимых на сегодняшний день. Основные положения, выносимые на защиту. 1. Теория угловых распределений и излучения ультрарелятивистских электронов и позитронов в толстых ОК с учётом деканалирования на основе решения кинетического уравнения типа Фоккера - Планка и анализ экспериментальных результатов в области энергий электронов от нескольких сотен МэВ до 10 ГэВ, когда справедлива классическая электродинамика. 2. Методы получения поляризованных по спину электронных пучков в системах из двух кристаллов и возможность получения циркулярно поляризованных рентгеновского и гамма излучений при плоскостном ка-налировании в кристаллах типа цинковой обманки с асимметричным потенциалом. 3. Теоретический анализ влияния сильного поля на радиационные процессы КЭД при энергиях свыше 100 ГэВ, таких как излучение, глубоко - неупругие процессы рассеяния лептонов на ядрах ОК, двухфотонное рождение частиц в поле ОК и другие. 4. Непертурбативный инстантонный подход к проблеме рождения е~е+ пар интенсивным внешним полем. 5. Теория модификации радиационных процессов в ОК в рамках операторного формализма. Метод управления спектром виртуальных фотонов с целью получения усиления вероятностей электрослабых процессов по сравнению с аморфной средой. 6. Результаты расчётов спектров излучения позитронов с энергиями 20, 30 и 50 ГэВ при плоскостном каиалировании в рамках метода точных решений квантовой электродинамики. 7. Результаты численного моделирования многофотонных процессов при энергиях электронов и позитронов 150 - 240 ГэВ с помощью двух различных алгоритмов и анализ экспериментальных результатов в этой области, а также расчёты спектров одиночных фотонов при энергиях электронов 150 ГэВ - 4 ТэВ, сравнение эффективности ОК по числу излучённых фотонов на один электрон с толстыми аморфными мишенями и эффект подавления излучения крайне жёстких фотонов при аксиальном каналировании при энергиях 150-300 ГэВ. 8. Теория увеличения выхода некогерентного ТИ в толстых ОК с учётом всех индивидуальных актов некогерентного рассеяния электронов на атомах кристалла. 9. Теория нелинейных эффектов генерации высших гармоник в спектрах излучения электронов в поле тераваттных лазеров на основе квазиклассического операторного подхода и результаты сравнения этого вида излучения с излучением в ОК. 10. Классификация процессов взаимодействия релятивистских электронов с лазерным излучением в терминах двух лоренц инвариантных параметров. Обоснованность и достоверность полученных в диссертации теоретических результатов основаны на: а) удовлетворительном согласии расчётных данных с экспериментальными результатами отечественных и зарубежных авторов; б) использовании твёрдо установленных исходных положений; в) применении различных методов теоретического анализа и численного моделирования для изучения одной и той же проблемы; г) использовании в расчётах реалистичных атомных потенциалов и отсутствии во всех расчётах, сравниваемых с экспериментами, свободных параметров. Практическая ценность данной работы заключается в следующем. Результаты расчётов многофотонных процессов излучения использовались коллективом учёных Орхус-ЦЕРН коллаборации при постановке экспериментов на пучках электронов и позитронов с энергиями свыше 100 ГэВ на ускорителе SPS. Теоретические расчёты спектров одиночных фотонов дают количественные данные о числе фотонов, которые можно получить на один электрон в заданном интервале частот в ОК при энергиях 150 ГэВ - 4 ТэВ. Практическая ценность этих результатов обусловлена невозможностью получения в настоящее время таких данных экспериментально. Практический интерес представляет предлагаемый в данной работе метод получения циркулярно поляризованных гамма квантов. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II - IV Всесоюзных конференциях по взаимодействию заряженных частиц с кристаллами (Приэльбрусье, Терскол , 1983, 1988, 1990); XVII Всесоюзном Совещани по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1987); 13 и 14-ой Международных конференциях по атомным столкновениям в твёрдых телах (Дания, Орхус, 1989; Великобритания, Сэлфорд 1991); на Международных симпозиумах "Излучение релятивистских электронов в периодических структурах" (Томск, 1993, 1997); на Международном совещании по каналиро-ванию и ориентационным эффектам (Дания, Орхус, 1995); б-й Международной конференции по компьютерной физике (Швейцария, Лугано, 1994); Всероссийской конференции "Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твердыми телами"(Нальчик, 1995, 1998); на 17-ой Международной конференции "Уравнения состояния вещества"(Черноголовка, 2002); на Международной школе "Частицы и космология"( Приэльбрусье, Терскол, 1997, 1999, 2001, 2003); на Международном семинаре "Вычисления на современных коллайде-pax"CALC - 2000 (Дубна, 2000); на Международной конференции "Кварки "(Новгород, 2002; Псков, 2004). Результаты диссертации докладыва- лись на семинарах в НИИЯФ МГУ (1986,1987); Института атомной энергии им. И.В. Курчатова (1987, 1988); в университетах г. Орхуса (1994, 1995); Токийского Гакугей университета (2000) и Токийского Васеда университета (2001); в университете Гумбольта (г. Берлин, Германия, 2004). Электромагнитные процессы, сопровождающие прохождение частиц через вещество, интенсивно изучаются на протяжении всей истории современной физики [1, 2, 3]. Однако, интерес к этой теме не ослабевает (см. обзор [4]). Можно выделить три основных аспекта рассматриваемой проблемы: процессы электромагнитного излучения релятивистскими электронами (позитронами) и рождение электронно-позитронных пар гамма квантами в веществе; процессы рассеяния заряженных частиц в среде; ионизационные потери энергии на возбуждение внутренних степеней свободы вещества. В данной работе нас будут интересовать первые два аспекта, причём многократное рассеяние электронов и позитронов в среде будет рассматриваться в контексте его влияния на характеристики электромагнитного излучения и, наоборот, влияние излучения на угловые распределения излучающих частиц. Следующим этапом после пионерских работ Бете и Гайтлера по тормозному излучению (ТИ) и рождению пар в аморфной среде [5] (см. обзоры [6, 7]) явилось открытие когерентного тормозного излучения (КТИ) в кристаллах [2, 8] и эффекта Ландау - Померанчука, характеризующего влияние многократного рассеяния на излучение в аморфной среде [9, 10]. Параллельно с процессами в веществе интенсивно развивалась физика излучения и рождения пар во внешних полях [11] (синхротронное излучение [12], излучение в ондуляторах [13] и др.). При этом имеются два важных частных случая, допускающих полное и, одновременно, относительно простое теоретическое рассмотрение как в классическом, так и в квантовом случаях. Это электромагнитные процессы в постоянных внешних полях [14, 15] и процессы в поле интенсивной плоской волны [16]. В некоторых важных частных случаях физика электромагнитных явлений в ориентированных кристаллах сводится к рассмотрению этих двух ситуаций, хотя во многих отношениях исследования процессов в веществе и во внешних полях развивалась до последнего времени независимо. Открытие Кумаховым интенсивного излучения при каналировании [17,18] показало, что кристалл, ориентированный низкоиндексными кристаллографическими осями и плоскостями вдоль направления пучка заряженных частиц или гамма квантов, представляет собой уникальный естественный инструмент, позволяющий изучать электродинамические процессы в сильных внешних полях [19]. Величина силы, действующей на электрон, движущийся через ориентированный кристалл, составляет F ~ Ze2/dap ~ Ю2 — 103 эВ/А [20] (здесь Z - атомный номер кристалла, d - характерное расстояние между атомами в атомной цепочке, ар -параметр экранирования Томаса-Ферми). Если лоренц-фактор электрона 7 = (1 — /З2)"1/2 ~ 105 (при энергиях электронов ~ 100 ГэВ, что достигается на современных ускорителях), то величина электромагнитного поля в системе покоя электрона ~ jF составит ~ 107 — 108 эВ/А. Такие поля по величине одного порядка с критическим полем квантовой электродинамики ?о ~ Ю8 эВ/А[21]. Таким образом, на современном этапе развития физики возникла возможность, используя кристаллы, экспериментально изучать процессы квантовой электродинамики в сильных (т.е превышающих So) внешних полях. С другой стороны, величины полей, достигаемых в фокусах современных лазеров с мощностью в импульсе до нескольких тераватт (1 ТВ = 1012 Вт) одного порядка с теми, что имеют место в ориентированных кристаллах. Кроме того, характер движения электронов в поле лазер-ного излучения во многом похож на движение в кристаллах в режиме каналирования [20]. В широкой области энергий электронов, величины, характеризующие их движение в кристаллах и полях лазеров, совпадают и количественно (типичные энергии лазерных фотонов ~ 1 эВ). Важной задачей, поэтому, является сравнение эффективности ориентированных кристаллов и лазеров, как источника генерации рентгеновских и гамма фотонов на пучках релятивистских электронов, что само по себе имеет важное значение в современной экспериментальной физике [22] и многочисленных практических приложениях. Проблема излучения фотонов подробно изучается в настоящей работе в рамках единого подхода, позволяющего учитывать квантовые и нелинейные эффекты в излучении. Особое внимание уделяется таким вторичным факторам как некогерентное многократное рассеяние налетающих частиц на атомах кристалла и влияние излучения на движение электронов (радиационный демпинг). Если первый из этих факторов является деструктивным, уменьшающим эффективность излучения в ориентированном монокристалле, то уменьшение поперечной энергии электрона в результате радиационного демпинга, наоборот, приводит к сильному увеличению сечений излучения. Множество работ самого последнего времени [23] - [28] показывает, что проблема сильного поля не только остаётся актуальной в настоящее время, но и, похоже, будет активно развиваться в ближайшем будущем. Помимо рассматриваемых в данной диссертации проблем взаимодействия релятивистских электронов с ориентированными кристаллами и тераваттными лазерными полями эффекты сильного поля имеют место в лазерах на свободных электронах [23, 24] и в кулоновском поле тяжёлых ядер [25]. В данной диссертации рассмотрены некоторые новые проблемы сильного поля, имеющие общий характер. Именно, изучаются проблема нестабильности вакуума при энергиях электронов свыше 100 ГэВ, глубоко неупругое рассеяние лептонов на ядрах в условиях наличия внешнего поля, физика двухфотонных процессов в ориентированных кристаллах. Рассматривается проблема получения пучков циркулярно поляризованных фотонов и поляризованных по спину электронов, причём нами предлагаются новые методы получения таких пучков, не изучавшиеся другими авторами [29] - [33]. Интервал энергий электронов, охватываемых в настоящей работе, составляет от сотни МэВ до предельно достижимых на ускорителях на сегодняшний день ~ 300 ГэВ. Рассматриваются так же и более высокие энергии (до нескольких ТэВ). При энергиях электронов ниже нескольких десятков ГэВ движение в поле атомных цепочек и плоскостей можно считать классическим, а излучение также описывать в рамках классической электродинамики [18, 19]. При более низких энергиях в несколько МэВ поперечное движение электронов (позитронов) является квантовым, а спектр излучения в мягкой части состоит из чётко разделённых отдельных линий [34] - [36]. В области, где применимо классическое описание (~100 МэВ - 20 ГэВ), отдельные линии в спектре излучения при кана-лировании не различимы, а такой вторичный фактор, как многократное рассеяние, играет существенную роль. Дальнейшее увеличение энергии приводит к уменьшению роли многократного рассеяния, но возрастает влияние квантовой отдачи фотона на спектр и радиационный демпинг поперечной энергии [19]. Оба эти фактора изучаются в настоящей работе. Глава 1 Прохождение релятивистских частиц через ориентированные кристаллы К настоящему времени издано большое число монографий, посвященных ориентационным эффектам и излучению в кристаллах [3, 19], [37] - [43], а также опубликованы обзорные статьи [18], [44] - [52]. Основным приближением, позволяющим существенно упростить теоретическое рассмотрение влияния кристаллической структуры на движение и излучение заряженных частиц, движущихся вблизи кристаллографических осей, является приближение непрерывного потенциала Линхарда атомной цепочки [20]. Если электрон с энергией Е = mojc2 движется под малым углом 9е ~ 6l по отношению к цепочке атомов кристалла с атомным номером Z, то можно считать, что электрон не чувствует при своём движении дискретного расположения атомов цепочки и его поведение определяется непрерывным потенциалом U(p), зависящим только от расстояния до цепочки р. Здесь и далее 7 = (1 — (З2)'1/2 - лоренц-фактор электрона, то - его масса покоя, /3 = v/c, v - скорость. Критический угол Линдхарда 0l определяется варажением [20]:

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	23294.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

15.04.24 Задачи, условия и этапы организации экспериментальной работы

15.04.24 Критерии качества преподавания

15.04.24 Категория нормы в обучающей деятельности

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.