Помощь студентам в учебе
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ
|
Введение 4
Глава 1 Метод токов в теории излучений 13
1.1 К вопросу учёта пространственной дисперсии 14
1.2 Метод поляризационных токов для сред с пространственной и частотной
дисперсией 16
1.3 Определение поляризационных характеристик излучения в методе токов . 21
1.3.1 Качественная оценка поляризации 21
1.3.2 Параметры Стокса 22
1.4 Пределы применимости метода поляризационных токов 24
1.5 Обсуждение результатов главы 26
Глава 2 О влиянии внешних полей на поляризационное излучение 27
2.1 Поляризационное излучение во внешнем поле 27
2.2 Влияние внешнего поля на интенсивность излучения 36
2.3 Спектральная зависимость излучения 37
2.4 Оценка степени влияния поля 38
2.5 Обсуждение результатов главы 39
Глава 3 Особенности генерации излучения Вавилова-Черенкова при пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрической мишени 41
3.1 Излучение Вавилова-Черенкова от диэлектрического клина 42
3.2 Пределы применимости теоретической модели 47
3.3 О модификации классического условия Вавилова-Черенкова 48
3.4 Обсуждение результатов главы 57
Глава 4 Излучение Вавилова-Черенкова в рентгеновском диапазоне частот . 60
4.1 Оптические свойства вещества в рентгеновской области спектра 63
4.2 Рентгеновское излучение Вавилова-Черенкова как излучение поляриза
ционного тока 66
4.2.1 Черенковский эффект в геометрии переходного излучения 66
4.2.2 Черенковский эффект в геометрии дифракционного излучения 69
4.2.3 Верификация полученных результатов 72
4.3 Свойства рентгеновского черенковского излучения 80
4.3.1 Спектрально-угловое распределение поляризационного излучения ... 80
4.3.2 Влияние геометрических размеров мишени на характеристики излучения 81
4.3.3 Зависимость интенсивности излучения от энергии заряженной частицы 88
4.3.4 Спектральная дисперсия рентгеновского черенковского излучения ... 89
4.3.5 Поляризационные характеристики излучения 92
4.4 Обсуждение результатов главы 96
Глава 5 О влиянии магнитного момента на характеристики поляризационного излучения 97
5.1 Переходное излучение заряженной частицы, обладающей собственным
магнитным моментом 98
5.1.1 Интерференция полей переходного излучения электрического заряда
и магнитного момента 99
5.1.2 Влияние ориентации магнитного момента на условия интерференции .101
5.1.3 Относительный вклад магнитного момента в угловое распределение
переходного излучения 103
5.2 Переходное излучение закрученных частиц 104
5.2.1 Поля переходного излучения 106
5.2.2 Циркулярная поляризация переходного излучения от идеально проводящей мишени 107
5.2.3 Влияние орбитального углового момента на степень циркулярной поляризации излучения 109
5.3 Обсуждение результатов главы 111
Заключение 113
Литература 117
Приложение А К определению поляризационных характеристик излучения 134
Глава 1 Метод токов в теории излучений 13
1.1 К вопросу учёта пространственной дисперсии 14
1.2 Метод поляризационных токов для сред с пространственной и частотной
дисперсией 16
1.3 Определение поляризационных характеристик излучения в методе токов . 21
1.3.1 Качественная оценка поляризации 21
1.3.2 Параметры Стокса 22
1.4 Пределы применимости метода поляризационных токов 24
1.5 Обсуждение результатов главы 26
Глава 2 О влиянии внешних полей на поляризационное излучение 27
2.1 Поляризационное излучение во внешнем поле 27
2.2 Влияние внешнего поля на интенсивность излучения 36
2.3 Спектральная зависимость излучения 37
2.4 Оценка степени влияния поля 38
2.5 Обсуждение результатов главы 39
Глава 3 Особенности генерации излучения Вавилова-Черенкова при пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрической мишени 41
3.1 Излучение Вавилова-Черенкова от диэлектрического клина 42
3.2 Пределы применимости теоретической модели 47
3.3 О модификации классического условия Вавилова-Черенкова 48
3.4 Обсуждение результатов главы 57
Глава 4 Излучение Вавилова-Черенкова в рентгеновском диапазоне частот . 60
4.1 Оптические свойства вещества в рентгеновской области спектра 63
4.2 Рентгеновское излучение Вавилова-Черенкова как излучение поляриза
ционного тока 66
4.2.1 Черенковский эффект в геометрии переходного излучения 66
4.2.2 Черенковский эффект в геометрии дифракционного излучения 69
4.2.3 Верификация полученных результатов 72
4.3 Свойства рентгеновского черенковского излучения 80
4.3.1 Спектрально-угловое распределение поляризационного излучения ... 80
4.3.2 Влияние геометрических размеров мишени на характеристики излучения 81
4.3.3 Зависимость интенсивности излучения от энергии заряженной частицы 88
4.3.4 Спектральная дисперсия рентгеновского черенковского излучения ... 89
4.3.5 Поляризационные характеристики излучения 92
4.4 Обсуждение результатов главы 96
Глава 5 О влиянии магнитного момента на характеристики поляризационного излучения 97
5.1 Переходное излучение заряженной частицы, обладающей собственным
магнитным моментом 98
5.1.1 Интерференция полей переходного излучения электрического заряда
и магнитного момента 99
5.1.2 Влияние ориентации магнитного момента на условия интерференции .101
5.1.3 Относительный вклад магнитного момента в угловое распределение
переходного излучения 103
5.2 Переходное излучение закрученных частиц 104
5.2.1 Поля переходного излучения 106
5.2.2 Циркулярная поляризация переходного излучения от идеально проводящей мишени 107
5.2.3 Влияние орбитального углового момента на степень циркулярной поляризации излучения 109
5.3 Обсуждение результатов главы 111
Заключение 113
Литература 117
Приложение А К определению поляризационных характеристик излучения 134
В настоящее время в мире разрабатываются новые источники электромагнитного излучения в различных спектральных диапазонах, которое используется для детального изучения структуры и свойств различных веществ и материалов в химии, материаловедении, биологии, медицине, физике ускорителей и т.д. Особый интерес представляют источники в субмиллиметровом и миллиметровом (терагерцовом), а также в мягком рентгеновском диапазонах длин волн. Источники первого диапазона представляют особый интерес для биологии и медицины при разработке новых систем диагностики и лечения, в том числе и сердечно-сосудистых заболеваний. Источники второго диапазона представляют интерес в биохимических исследованиях, медицине, при исследованиях характеристик новых материалов с заданными свойствами и особенно наноразмерных объектов и материалов. Например, свойства метаматериалов и фотонных кристаллов, представляющих собой искусственно созданные периодические структуры, изучаются с использованием электромагнитного излучения, генерируемого заряженными частицами.
Для генерации излучения от гамма до терагерцового диапазона используют различные механизмы излучения ускоренных зараженных частиц, в основном электронов, физика которых достаточно хорошо изучена, а техника отработана. Следует отметить, что движущаяся заряженная частица может излучать либо при наличии внешних полей (механизм, связанный с ускорением заряда), либо при наличии оптических неоднородностей вблизи или непосредственно вдоль траектории (поляризационный механизм). Примером первого может быть синхротронное или ондуляторное излучения, где частица приобретает ускорение во внешнем магнитном поле и, соответственно, излучает. Данные типы излучения хорошо изучены как с точки зрения теории, так и в плане практической реализации и широко применяются в различных спектральных диапазонах.
В последние годы, главным образом, благодаря бурному развитию ускорительной техники, проявился значительный интерес к поляризационному излучению. Поляризационный механизм излучения реализуется в результате динамической поляризации атомных оболочек среды полем равномерно и прямолинейно движущейся релятивистской заряженной частицы и/или магнитного момента. В этом случае кулоновское поле частицы наводит в среде поляризационный ток, который и является источником излучения. Если при этом частица пролетает в вакууме вблизи оптической неоднородности, то потери её энергии малы из-за отсутствия близких взаимодействий. Эта особенность излучения широко используется, например, для разработки маловозмущающих и невозмущающих диагностических станций характеристик пучков заряженных частиц современных ускорителей. Также данный механизм излучения используется для разработки компактных источников излучения в указанных выше диапазонах, для создания детекторов заряженных частиц и для определения свойств новых материалов.
Поляризационное излучение по историческим причинам редко рассматривается в целом, оно разбивается на различные частные случаи. Так, при движении заряженной частицы в среде со скоростью выше скорости света в данной среде возникает черенковское излучение, экспериментально обнаруженное С.И. Вавиловым и П.А. Черенковым в 1934 году при исследовании эффектов люминесценции раствора солей урана под воздействием у-лучей [1-3]. В 1937 году вышла статья И.Е. Тамма и И.М. Франка [4], в которой кратко была изложена полная теория черенковского излучения. Следует отметить, что излучение Вавилова-Черенкова было теоретически предсказано задолго до его обнаружения независимо друг от друга в работах О. Хевисайда [5,6] и А. Зоммерфельда [7-9] на основании господствовавших тогда представлений об эфире. Однако, дальнейшему исследованию этого явления помешали как специальная теория относительности А. Эйнштейна [10], постулирующая конечность скорости света, так и результаты экспериментов А.А. Майкельсона и Э.В. Морли [11], которые опровергли существование эфира. На сегодняшний день по исследованию свойств черенков- ского излучения опубликовано большое число статей и несколько авторитетных монографий [12-15], последняя из которых вышла в 2004 году, что свидетельствует об актуальности исследований рассматриваемого эффекта. В случае, когда заряженная частица пересекает границу раздела двух сред с различными диэлектрическими и/или магнитными характеристиками возникает переходное излучение, предсказанное В.Л. Гинзбургом и И.М. Франком в 1945 году [16]. Экспериментальное подтверждение представленной теории было получено вначале для протонных пучков [17] в 1959 году, а затем, спустя два года, и для электронных [18]. Данный тип излучения, по всей видимости, наиболее исследован, а диагностические методы на его основе нашли широкое применение в физике и технике пучков заряженных частиц и физике высоких энергий. При пролёте частицы вблизи (на расстояниях менее чем характерный радиус затухания поля электрона ~ у^Х, где у - Лоренц-фактор частицы, Р = v/c - относительная скорость частицы в единицах скорости света с, Х - длина волны испущенного излучения) оптической неоднородности, например мишени, возникает дифракционное излучение. В этом случае, из-за отсутствия близких взаимодействий, исходный пучок практически не возмущается, что открывает широкие возможности для диагностики его характеристик. При наличии периодической дифракционной неоднородности возникает излучение Смита-Парселла, которое характеризуется квазимонохроматическим спектром излучения под различными полярными углами. Это свойство можно использовать для создания компактных и дешёвых источников терагерцового излучения и лазеров на свободных электронах.
Хотя считалось, что все перечисленные виды излучения возникали при равномерном и прямолинейном движении заряженной частицы, каждое из них рассматривалось независимо друг от друга как явления, имеющие различную физическую природу, что также объясняется историческими причинами и теоретическими подходами, используемыми для интерпретации наблюдаемых эффектов. Так, в теории переходного излучения часто используется метод изображений как в формализме У.Р. Гамильтона [16,19], так и в формализме В.Е. Пафомо- ва [20]. Принципиальная разница упомянутых формализмов заключается, в первую очередь, в физической интерпретации переходного излучения. Согласно гамильтонову формализму, наиболее часто встречающемуся в работах В.Л. Гинзбурга, переходное излучение можно рассматривать либо как процесс аннигиляции равномерно и прямолинейно движущихся навстречу друг другу заряда и его изображения (заряда с противоположным знаком), либо как процесс тормозного излучения. В последнем случае предполагается, что излучение возникает при резкой остановке заряда на границе раздела двух сред и таком же резком старте от границы раздела изображения. Формализм В.Е. Пафомова интерпретирует переходное излучение как излучение совокупности бесконечного числа элементарных электрических диполей, на которые можно разложить поле взаимодействующей с веществом заряженной частицы.
Поскольку дифракционное излучение по своей природе очень близко к известному из оптики явлению дифракции, то для описания свойств излучения очень часто применяют методы из теории дифракции, основанные как на подходах Х. Гюйгенса, О.Ж. Френеля и Г. Кирхгофа [21-23], так и представлениях Э. Ферми о виртуальных фотонах [22,24]. Метод виртуальных фотонов применим исключительно в ультрарелятивистском случае, когда продольная Фурье-компонента поля заряда E0(r, ш) (т.е. в направлении скорости частицы) подавлена в у раз по сравнению с поперечной. Следовательно, поле заряда является практически поперечным и может быть представлено как набор плоских волн или виртуальных фотонов, рассеяние которых, в свою очередь, описывается методами классической оптики [25]. Отдельно следует выделить метод В.А. Фока с применением подхода Винера-Хопфа [26-29], который основан на представлении дифракционного излучения как излучения поверхностного тока, наведённого полем заряженной частицы на поверхности идеально проводящей мишени, т.к. он послужил некоторой основой при создании формализма метода поляризационных токов.
Для излучения Смита-Парселла в работах П.М. ван ден Берга [30-32] и А.С. Кеза- ра [33-35] была развита строгая, но несколько громоздкая теория, в которой излучение рассматривалось как процесс рассеяния собственного поля заряда на периодической структуре. Следует отметить, что методы из теории дифракционного излучения могут также успешно применяться и в теории излучения Смита-Парселла, поскольку последнее можно представить как процесс резонансного дифракционного излучения [36].
Рассмотренные методы хорошо себя зарекомендовали применительно к конкретному виду излучения в выделенном диапазоне частот и энергии заряженной частицы, однако не давали возможности учесть вклад других типов излучений в исследуемых условиях. Другим не менее важным недостатком используемых моделей является большое число приближений, которые, с одной стороны, упрощают исследование процессов излучения, а с другой - приводят к существенному усложнению при учёте конкретных экспериментальных условий, что зачастую не позволяет провести корректное моделирование экспериментальной ситуации.
Тенденция к объединению вышеперечисленных видов излучения в единый формализм стала проявляться только в начале XXI века. Лишь сравнительно недавно появились теоретические и экспериментальные работы [36-45], в которых авторы продемонстрировали единую природу данных видов излучений и заложили основы теоретического описания всех видов поляризационного излучения. Особая заслуга в разработке единого формализма принадлежит двум научным школам: Томской, возглавляемой профессором А.П. Потылицыным и Московской - под руководством профессора М.И. Рязанова.
Благодаря совместным исследованиям томской и московской теоретических школ был развит новый метод решения задачи генерации поляризационного излучения равномерно движущейся заряженной частицей при наличии среды произвольной формы и произвольной проводимости. Данный метод известен в современной литературе под названием «метод поляризационных токов». В основе метода лежит гипотеза о том, что причиной возникновения поляризационного излучения является поле тока, индуцированного во всём объёме мишени полем равномерно и прямолинейно движущегося точечного заряда в результате динамической поляризации атомов среды.
Появление новых методов в классической электродинамике не только позволяет пролить свет на ещё не изученные эффекты, но и даёт возможность с иной стороны взглянуть на природу хорошо известных процессов. В этой связи, целью данной работы является теоретическое исследование влияния различных аспектов, таких как: внешнее электромагнитное поле, диэлектрические и макроскопические свойства мишени, наличие магнитного момента (спина) у частицы, на характеристики поляризационного излучения заряженных частиц в рамках классической электродинамики.
В соответствии с общей целью работы в диссертации рассматриваются следующие основные задачи:
1. Провести полную систематизацию и обобщение метода поляризационных токов для выявления фундаментальных ограничений разрабатываемых на её основе теоретических моделей и выполнения исследований по влиянию рассматриваемых факторов на характеристики поляризационного излучения.
2. На примере классической задачи Гинзбурга-Франка рассмотреть влияние внешнего электромагнитного поля на характеристики поляризационного излучения.
3. Провести исследования особенностей поляризационного излучения, возникающего при наклонном пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрической призмы.
4. На примере простой геометрии диэлектрической пластинки проанализировать влияние макроскопических и диэлектрических параметров мишени на характеристики поляризационного излучения в рентгеновском диапазоне частот.
5. На основе теоретического подхода В.Е. Пафомова рассмотреть влияние магнитного момента частицы на характеристики создаваемого ею поляризационного излучения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Наличие внешних электромагнитных полей приводит к перераспределению интенсивностей поляризационного излучения между направлениями его распространения, возникновению нормального и аномального эффекта Допплера, а также к изменениям в спектре наблюдаемого излучения.
2. Поляризационный ток, являющийся источником излучения, возникает под воздействием кулоновского поля заряженной частицы в приповерхностных слоях диэлектрических мишеней при пролёте частицы вблизи мишени, а также в слоях вещества, расположенных в непосредственной близости к траектории частицы при её движении сквозь вещество. Например, при нормальном пролёте заряженной частицы вблизи ди-
электрического экрана размеры поляризационного слоя вдоль направления движения частицы для дифракционного и черенковского излучении определяются, соответственно, длиной формирования излучения dRR = 0.5фА1 — ^Ке^е(ш') ной его поглощения dchR = фАЯе^Дш)/ ^4я1тДДш)) , где ф - относительная скорость частицы в единицах скорости света, А - длина волны наблюдаемого излучения, Дш) - диэлектрическая проницаемость материала мишени. Поперечные размеры поляризационного слоя дифракционного излучения ограничиваются эффективным радиусом затухания кулоновского поля частицы aRR = уф А /(4я), в то время как для черенковского излучения - глубиной когерентности излучения a
странения черенковского излучения в среде.
3. Классическое условие распространения излучения Вавилова-Черенкова в общем случае наклонного пролёта заряженной частицы вблизи диэлектрических мишеней будет зависеть как от ориентации излучающего слоя относительно траектории частицы, так и от геометрических характеристик мишени. Например, в случае пролёта заряженной частицы под углом а вблизи диэлектрического экрана направление распространения черенковского излучения в вакууме (характеризуется полярным углом излучения 0) будет определяться из условия cos а — фу/Е(Ш) — sin2 в + ч 1 у1 + (у^ sin в sin ф)2 Е(Ш) sin а ^ 0, которое в случае нормального пролёта частицы (а = 0) переходит в известное условие Вавилова- Черенкова, записанное в вакуумных переменных.
4. Излучение Вавилова-Черенкова в рентгеновском диапазоне частот может возникать и за пределами края поглощения вещества, что приводит к наличию спектральной дисперсии излучения. Основным условием возникновения черенковского излучения в рассматриваемой области спектра является выполнение критерия П.А. Черенкова.
5. Наличие у заряженных частиц собственного магнитного момента ц приводит, в зависимости от ориентации последнего, к возникновению гибридного излучения (ец- излучение) при взаимодействии частицы с поглощающими средами, а также приводит к изменению поляризационных характеристик возникающего излучения.
Научная новизна представленных в диссертации результатов:
1. Разработана модель генерации поляризационного излучения, позволяющая определять характеристики излучения в присутствии внешних электромагнитных полей.
2. Впервые получены аналитические модели для расчёта спектрально-угловых характеристик поляризационного излучения, генерируемого заряженными частицами при их наклонном пролёте вблизи диэлектрических мишеней призматической формы, которые учитывают влияние конечных размеров мишени и диэлектрических свойств вещества (дисперсионные и абсорбирующие) на характеристики возникающего излучения.
3. В рамках макроскопического и микроскопического подходов теоретически показано, что за генерацию поляризационного излучения ответственны токи, возникающие в приповерхностных слоях диэлектрических мишеней (если частица пролетает вблизи мишени), а также в слоях вещества, наиболее близко расположенных к траектории заряженной частицы (при движении частицы в веществе). Размеры области поляризации вещества мишени определяются длиной d^)R и глубиной a
5. Впервые определены поляризационные характеристики черенковского излучения, возникающего при наклонном пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрического экрана конечных размеров.
6. На основании обобщённого метода изображений в формализме В.Е. Пафомова установлено, что наличие собственного магнитного момента у заряженной частицы приводит к возникновению гибридного ец-излучения в случае взаимодействия последней с непрозрачной средой при условии поперечной относительно импульса частицы ориентации магнитного момента.
7. Впервые показано, что при наклонном пролёте заряженных частиц, обладающих орбитальным угловым моментом, через идеально проводящую мишень возникает циркулярно поляризованная компонента переходного излучения.
Научная и практическая значимость представленных результатов определяется несколькими аспектами. Во-первых, полное систематическое изложение метода поляризационных токов, а также детальное исследование свойств поляризационного излучения от мишеней различной конфигурации, будут весьма полезны с академической точки зрения для широкого круга исследователей, в том числе студентов и аспирантов, при рассмотрении задач, связанных с генерацией, распространением и взаимодействием излучения с веществом. Во-вторых, представленные в работе результаты описывают новые закономерности генерации поляризационного излучения и позволяют обобщить результаты существующих теорий. Полученные закономерности послужат основой для дальнейшего развития метода поляризационных токов. Например, изложенный в первой главе метод, может быть использован для описания свойств поляризационного излучения, возникающего в средах с пространственной и частотной дисперсией, таких как метаматериалы и фотонные кристаллы. Более того, метод токов может быть обобщён для описания свойств параметрического рентгеновского и поляризационно-тормозного излучений. Результаты исследования воздействия внешних полей на характеристики поляризационного излучения будут способствовать не только созданию нестационарной теории излучений, но и позволят в полной мере понять природу эффектов внешней стимуляции излучения. В-третьих, выявленные особенности поляризационного излучения наиболее актуальны в сферах разработки и создания невозмущающих методов диагностики пучков современных ускорителей и новых источников электромагнитного излучения. Так, например, представленная во второй главе модель генерации поляризационного излучения во внешнем электромагнитном поле позволяет принять во внимание эффекты, возникающие за счёт наводки и накопления электрического заряда в диэлектрических мишенях, используемых для диагностики характеристик пучков ускорителей. Полученные в третьей главе результаты могут быть использованы для создания источников когерентного терагерцового излучения. Кроме того, выявленные особенности черенковского излучения, возникающего при наклонном пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрической призмы, позволяют регулировать направление распространения излучения Вавилова-Черенкова в вакууме без использования дополнительных оптических систем, что, в совокупности с бесконтактной (невозмущающей) природой данного эффекта, делает его весьма привлекательным для использования в диагностике параметров пучков современных ускорителей. Представленные в четвёртой главе результаты будут полезны при разработке источников излучения в мягком рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах частот, поскольку полученные результаты демонстрируют возможности увеличения выхода рентгеновского черенковского излучения и регулировки контраста между одновременно возникающими различными видами поляризационного излучения. Более того, развитые в данной главе модели позволяют определять все возможные характеристики поляризационного излучения, в том числе, и в других спектральных диапазонах. Разработанные в пятой главе модели генерации поляризационного излучения частицами, обладающими собственным магнитным моментом, могут быть использованы для создания поляриметров нового типа, которые основаны на обратном переходном излучении, а также для разработки схем диагностики пучков закрученных частиц. Отдельно заметим, что представленные в данной работе теоретические модели также позволяют определять по уже известным характеристикам излучения диэлектрические свойства веществ и материалов.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается, прежде всего, их аналитической формой, что позволило совершить предельные переходы к результатам, полученным авторами известных и авторитетных работ. Следующим, не менее важным, критерием достоверности полученных в диссертации результатов является разумное согласие большинства представленных выводов и положений работы с результатами экспериментальных исследований. Обнаруженные расхождения были в пределах применяемых допущений и не несли искажения физического смысла исследуемых процессов.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на семинарах Инновационной международной научно-образовательной лаборатории «Фотон» кафедры прикладной физики ТПУ (2011 - 2015 года), рабочем совещании в ЦЕРНе (CERN, Женева, Швейцария, 2013 год) и семинарах LUCX-группы японской Национальной лаборатории физики высоких энергий (High Energy Accelerator Research Organization, KEK, Tsukuba, Japan, 2014 год), а также докладывались на международных конференциях и симпозиумах:
• Международная конференция с элементами научной школы для молодёжи «Электромагнитное излучение в науке, промышленности, медицине», Звенигород, 2009 год;
• XVI Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, 2010 год;
• VII и X Международная конференция студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 2010 и 2013 года;
• IX, X и XI International Symposium of «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» («RREPS»), Egham, UK - 2011 год, Erevan, Armeniya - 2013 год и Saint Petersburg, Russian Federation - 2015 год;
• XLV Школа ПИЯФ «Физика Конденсированного Состояния - 2011», Рощино, РАН, 2011 год;
• Круглый стол с элементами научной школы по итогам «Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области физических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки», Томск, 2011 год;
• V и VI International Conference «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» («Channeling»), Alghero, Italy - 2012 год и Capry, Italy - 2014 год;
• 2d «International Beam Instrumentation Conference» («IBIC 2013»), Oxford, UK, 2013 год;
• III Mini-workshop for Advanced Generation of THz and Compton X-ray beams «AGTaX» using compact electron accelerator, Moscow, Russian Federation - 2014 год.
Личный вклад. Автор принимал активное участие во всех этапах работы, начиная от постановки задач, создания математических моделей, проведения аналитических расчётов и компьютерного моделирования разработанных математических моделей, и, заканчивая анализом полученных результатов и их представлением научной общественности в виде докладов и публикаций. Все представленные в работе аналитические модели процессов генерации поляризационного излучения были получены лично соискателем, включая их компьютерную реализацию. Также автор внёс основной вклад в систематизацию и обобщение метода поляризационных токов. В частности, соискателем были описаны основные пределы применимости развиваемого в работе подхода, разрешена проблемы учёта поляризационных свойств излучения и влияния внешних полей.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 7 печатных изданиях [43,46-51], 6 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК [43,46,48-51].
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и одного приложения. Полный объем диссертации составляет 134 страницы, включая 33 рисунка, 3 таблицы и список литературы, содержащий 184 наименования.
Для генерации излучения от гамма до терагерцового диапазона используют различные механизмы излучения ускоренных зараженных частиц, в основном электронов, физика которых достаточно хорошо изучена, а техника отработана. Следует отметить, что движущаяся заряженная частица может излучать либо при наличии внешних полей (механизм, связанный с ускорением заряда), либо при наличии оптических неоднородностей вблизи или непосредственно вдоль траектории (поляризационный механизм). Примером первого может быть синхротронное или ондуляторное излучения, где частица приобретает ускорение во внешнем магнитном поле и, соответственно, излучает. Данные типы излучения хорошо изучены как с точки зрения теории, так и в плане практической реализации и широко применяются в различных спектральных диапазонах.
В последние годы, главным образом, благодаря бурному развитию ускорительной техники, проявился значительный интерес к поляризационному излучению. Поляризационный механизм излучения реализуется в результате динамической поляризации атомных оболочек среды полем равномерно и прямолинейно движущейся релятивистской заряженной частицы и/или магнитного момента. В этом случае кулоновское поле частицы наводит в среде поляризационный ток, который и является источником излучения. Если при этом частица пролетает в вакууме вблизи оптической неоднородности, то потери её энергии малы из-за отсутствия близких взаимодействий. Эта особенность излучения широко используется, например, для разработки маловозмущающих и невозмущающих диагностических станций характеристик пучков заряженных частиц современных ускорителей. Также данный механизм излучения используется для разработки компактных источников излучения в указанных выше диапазонах, для создания детекторов заряженных частиц и для определения свойств новых материалов.
Поляризационное излучение по историческим причинам редко рассматривается в целом, оно разбивается на различные частные случаи. Так, при движении заряженной частицы в среде со скоростью выше скорости света в данной среде возникает черенковское излучение, экспериментально обнаруженное С.И. Вавиловым и П.А. Черенковым в 1934 году при исследовании эффектов люминесценции раствора солей урана под воздействием у-лучей [1-3]. В 1937 году вышла статья И.Е. Тамма и И.М. Франка [4], в которой кратко была изложена полная теория черенковского излучения. Следует отметить, что излучение Вавилова-Черенкова было теоретически предсказано задолго до его обнаружения независимо друг от друга в работах О. Хевисайда [5,6] и А. Зоммерфельда [7-9] на основании господствовавших тогда представлений об эфире. Однако, дальнейшему исследованию этого явления помешали как специальная теория относительности А. Эйнштейна [10], постулирующая конечность скорости света, так и результаты экспериментов А.А. Майкельсона и Э.В. Морли [11], которые опровергли существование эфира. На сегодняшний день по исследованию свойств черенков- ского излучения опубликовано большое число статей и несколько авторитетных монографий [12-15], последняя из которых вышла в 2004 году, что свидетельствует об актуальности исследований рассматриваемого эффекта. В случае, когда заряженная частица пересекает границу раздела двух сред с различными диэлектрическими и/или магнитными характеристиками возникает переходное излучение, предсказанное В.Л. Гинзбургом и И.М. Франком в 1945 году [16]. Экспериментальное подтверждение представленной теории было получено вначале для протонных пучков [17] в 1959 году, а затем, спустя два года, и для электронных [18]. Данный тип излучения, по всей видимости, наиболее исследован, а диагностические методы на его основе нашли широкое применение в физике и технике пучков заряженных частиц и физике высоких энергий. При пролёте частицы вблизи (на расстояниях менее чем характерный радиус затухания поля электрона ~ у^Х, где у - Лоренц-фактор частицы, Р = v/c - относительная скорость частицы в единицах скорости света с, Х - длина волны испущенного излучения) оптической неоднородности, например мишени, возникает дифракционное излучение. В этом случае, из-за отсутствия близких взаимодействий, исходный пучок практически не возмущается, что открывает широкие возможности для диагностики его характеристик. При наличии периодической дифракционной неоднородности возникает излучение Смита-Парселла, которое характеризуется квазимонохроматическим спектром излучения под различными полярными углами. Это свойство можно использовать для создания компактных и дешёвых источников терагерцового излучения и лазеров на свободных электронах.
Хотя считалось, что все перечисленные виды излучения возникали при равномерном и прямолинейном движении заряженной частицы, каждое из них рассматривалось независимо друг от друга как явления, имеющие различную физическую природу, что также объясняется историческими причинами и теоретическими подходами, используемыми для интерпретации наблюдаемых эффектов. Так, в теории переходного излучения часто используется метод изображений как в формализме У.Р. Гамильтона [16,19], так и в формализме В.Е. Пафомо- ва [20]. Принципиальная разница упомянутых формализмов заключается, в первую очередь, в физической интерпретации переходного излучения. Согласно гамильтонову формализму, наиболее часто встречающемуся в работах В.Л. Гинзбурга, переходное излучение можно рассматривать либо как процесс аннигиляции равномерно и прямолинейно движущихся навстречу друг другу заряда и его изображения (заряда с противоположным знаком), либо как процесс тормозного излучения. В последнем случае предполагается, что излучение возникает при резкой остановке заряда на границе раздела двух сред и таком же резком старте от границы раздела изображения. Формализм В.Е. Пафомова интерпретирует переходное излучение как излучение совокупности бесконечного числа элементарных электрических диполей, на которые можно разложить поле взаимодействующей с веществом заряженной частицы.
Поскольку дифракционное излучение по своей природе очень близко к известному из оптики явлению дифракции, то для описания свойств излучения очень часто применяют методы из теории дифракции, основанные как на подходах Х. Гюйгенса, О.Ж. Френеля и Г. Кирхгофа [21-23], так и представлениях Э. Ферми о виртуальных фотонах [22,24]. Метод виртуальных фотонов применим исключительно в ультрарелятивистском случае, когда продольная Фурье-компонента поля заряда E0(r, ш) (т.е. в направлении скорости частицы) подавлена в у раз по сравнению с поперечной. Следовательно, поле заряда является практически поперечным и может быть представлено как набор плоских волн или виртуальных фотонов, рассеяние которых, в свою очередь, описывается методами классической оптики [25]. Отдельно следует выделить метод В.А. Фока с применением подхода Винера-Хопфа [26-29], который основан на представлении дифракционного излучения как излучения поверхностного тока, наведённого полем заряженной частицы на поверхности идеально проводящей мишени, т.к. он послужил некоторой основой при создании формализма метода поляризационных токов.
Для излучения Смита-Парселла в работах П.М. ван ден Берга [30-32] и А.С. Кеза- ра [33-35] была развита строгая, но несколько громоздкая теория, в которой излучение рассматривалось как процесс рассеяния собственного поля заряда на периодической структуре. Следует отметить, что методы из теории дифракционного излучения могут также успешно применяться и в теории излучения Смита-Парселла, поскольку последнее можно представить как процесс резонансного дифракционного излучения [36].
Рассмотренные методы хорошо себя зарекомендовали применительно к конкретному виду излучения в выделенном диапазоне частот и энергии заряженной частицы, однако не давали возможности учесть вклад других типов излучений в исследуемых условиях. Другим не менее важным недостатком используемых моделей является большое число приближений, которые, с одной стороны, упрощают исследование процессов излучения, а с другой - приводят к существенному усложнению при учёте конкретных экспериментальных условий, что зачастую не позволяет провести корректное моделирование экспериментальной ситуации.
Тенденция к объединению вышеперечисленных видов излучения в единый формализм стала проявляться только в начале XXI века. Лишь сравнительно недавно появились теоретические и экспериментальные работы [36-45], в которых авторы продемонстрировали единую природу данных видов излучений и заложили основы теоретического описания всех видов поляризационного излучения. Особая заслуга в разработке единого формализма принадлежит двум научным школам: Томской, возглавляемой профессором А.П. Потылицыным и Московской - под руководством профессора М.И. Рязанова.
Благодаря совместным исследованиям томской и московской теоретических школ был развит новый метод решения задачи генерации поляризационного излучения равномерно движущейся заряженной частицей при наличии среды произвольной формы и произвольной проводимости. Данный метод известен в современной литературе под названием «метод поляризационных токов». В основе метода лежит гипотеза о том, что причиной возникновения поляризационного излучения является поле тока, индуцированного во всём объёме мишени полем равномерно и прямолинейно движущегося точечного заряда в результате динамической поляризации атомов среды.
Появление новых методов в классической электродинамике не только позволяет пролить свет на ещё не изученные эффекты, но и даёт возможность с иной стороны взглянуть на природу хорошо известных процессов. В этой связи, целью данной работы является теоретическое исследование влияния различных аспектов, таких как: внешнее электромагнитное поле, диэлектрические и макроскопические свойства мишени, наличие магнитного момента (спина) у частицы, на характеристики поляризационного излучения заряженных частиц в рамках классической электродинамики.
В соответствии с общей целью работы в диссертации рассматриваются следующие основные задачи:
1. Провести полную систематизацию и обобщение метода поляризационных токов для выявления фундаментальных ограничений разрабатываемых на её основе теоретических моделей и выполнения исследований по влиянию рассматриваемых факторов на характеристики поляризационного излучения.
2. На примере классической задачи Гинзбурга-Франка рассмотреть влияние внешнего электромагнитного поля на характеристики поляризационного излучения.
3. Провести исследования особенностей поляризационного излучения, возникающего при наклонном пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрической призмы.
4. На примере простой геометрии диэлектрической пластинки проанализировать влияние макроскопических и диэлектрических параметров мишени на характеристики поляризационного излучения в рентгеновском диапазоне частот.
5. На основе теоретического подхода В.Е. Пафомова рассмотреть влияние магнитного момента частицы на характеристики создаваемого ею поляризационного излучения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Наличие внешних электромагнитных полей приводит к перераспределению интенсивностей поляризационного излучения между направлениями его распространения, возникновению нормального и аномального эффекта Допплера, а также к изменениям в спектре наблюдаемого излучения.
2. Поляризационный ток, являющийся источником излучения, возникает под воздействием кулоновского поля заряженной частицы в приповерхностных слоях диэлектрических мишеней при пролёте частицы вблизи мишени, а также в слоях вещества, расположенных в непосредственной близости к траектории частицы при её движении сквозь вещество. Например, при нормальном пролёте заряженной частицы вблизи ди-
электрического экрана размеры поляризационного слоя вдоль направления движения частицы для дифракционного и черенковского излучении определяются, соответственно, длиной формирования излучения dRR = 0.5фА1 — ^Ке^е(ш') ной его поглощения dchR = фАЯе^Дш)/ ^4я1тДДш)) , где ф - относительная скорость частицы в единицах скорости света, А - длина волны наблюдаемого излучения, Дш) - диэлектрическая проницаемость материала мишени. Поперечные размеры поляризационного слоя дифракционного излучения ограничиваются эффективным радиусом затухания кулоновского поля частицы aRR = уф А /(4я), в то время как для черенковского излучения - глубиной когерентности излучения a
странения черенковского излучения в среде.
3. Классическое условие распространения излучения Вавилова-Черенкова в общем случае наклонного пролёта заряженной частицы вблизи диэлектрических мишеней будет зависеть как от ориентации излучающего слоя относительно траектории частицы, так и от геометрических характеристик мишени. Например, в случае пролёта заряженной частицы под углом а вблизи диэлектрического экрана направление распространения черенковского излучения в вакууме (характеризуется полярным углом излучения 0) будет определяться из условия cos а — фу/Е(Ш) — sin2 в + ч 1 у1 + (у^ sin в sin ф)2 Е(Ш) sin а ^ 0, которое в случае нормального пролёта частицы (а = 0) переходит в известное условие Вавилова- Черенкова, записанное в вакуумных переменных.
4. Излучение Вавилова-Черенкова в рентгеновском диапазоне частот может возникать и за пределами края поглощения вещества, что приводит к наличию спектральной дисперсии излучения. Основным условием возникновения черенковского излучения в рассматриваемой области спектра является выполнение критерия П.А. Черенкова.
5. Наличие у заряженных частиц собственного магнитного момента ц приводит, в зависимости от ориентации последнего, к возникновению гибридного излучения (ец- излучение) при взаимодействии частицы с поглощающими средами, а также приводит к изменению поляризационных характеристик возникающего излучения.
Научная новизна представленных в диссертации результатов:
1. Разработана модель генерации поляризационного излучения, позволяющая определять характеристики излучения в присутствии внешних электромагнитных полей.
2. Впервые получены аналитические модели для расчёта спектрально-угловых характеристик поляризационного излучения, генерируемого заряженными частицами при их наклонном пролёте вблизи диэлектрических мишеней призматической формы, которые учитывают влияние конечных размеров мишени и диэлектрических свойств вещества (дисперсионные и абсорбирующие) на характеристики возникающего излучения.
3. В рамках макроскопического и микроскопического подходов теоретически показано, что за генерацию поляризационного излучения ответственны токи, возникающие в приповерхностных слоях диэлектрических мишеней (если частица пролетает вблизи мишени), а также в слоях вещества, наиболее близко расположенных к траектории заряженной частицы (при движении частицы в веществе). Размеры области поляризации вещества мишени определяются длиной d^)R и глубиной a
5. Впервые определены поляризационные характеристики черенковского излучения, возникающего при наклонном пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрического экрана конечных размеров.
6. На основании обобщённого метода изображений в формализме В.Е. Пафомова установлено, что наличие собственного магнитного момента у заряженной частицы приводит к возникновению гибридного ец-излучения в случае взаимодействия последней с непрозрачной средой при условии поперечной относительно импульса частицы ориентации магнитного момента.
7. Впервые показано, что при наклонном пролёте заряженных частиц, обладающих орбитальным угловым моментом, через идеально проводящую мишень возникает циркулярно поляризованная компонента переходного излучения.
Научная и практическая значимость представленных результатов определяется несколькими аспектами. Во-первых, полное систематическое изложение метода поляризационных токов, а также детальное исследование свойств поляризационного излучения от мишеней различной конфигурации, будут весьма полезны с академической точки зрения для широкого круга исследователей, в том числе студентов и аспирантов, при рассмотрении задач, связанных с генерацией, распространением и взаимодействием излучения с веществом. Во-вторых, представленные в работе результаты описывают новые закономерности генерации поляризационного излучения и позволяют обобщить результаты существующих теорий. Полученные закономерности послужат основой для дальнейшего развития метода поляризационных токов. Например, изложенный в первой главе метод, может быть использован для описания свойств поляризационного излучения, возникающего в средах с пространственной и частотной дисперсией, таких как метаматериалы и фотонные кристаллы. Более того, метод токов может быть обобщён для описания свойств параметрического рентгеновского и поляризационно-тормозного излучений. Результаты исследования воздействия внешних полей на характеристики поляризационного излучения будут способствовать не только созданию нестационарной теории излучений, но и позволят в полной мере понять природу эффектов внешней стимуляции излучения. В-третьих, выявленные особенности поляризационного излучения наиболее актуальны в сферах разработки и создания невозмущающих методов диагностики пучков современных ускорителей и новых источников электромагнитного излучения. Так, например, представленная во второй главе модель генерации поляризационного излучения во внешнем электромагнитном поле позволяет принять во внимание эффекты, возникающие за счёт наводки и накопления электрического заряда в диэлектрических мишенях, используемых для диагностики характеристик пучков ускорителей. Полученные в третьей главе результаты могут быть использованы для создания источников когерентного терагерцового излучения. Кроме того, выявленные особенности черенковского излучения, возникающего при наклонном пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрической призмы, позволяют регулировать направление распространения излучения Вавилова-Черенкова в вакууме без использования дополнительных оптических систем, что, в совокупности с бесконтактной (невозмущающей) природой данного эффекта, делает его весьма привлекательным для использования в диагностике параметров пучков современных ускорителей. Представленные в четвёртой главе результаты будут полезны при разработке источников излучения в мягком рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах частот, поскольку полученные результаты демонстрируют возможности увеличения выхода рентгеновского черенковского излучения и регулировки контраста между одновременно возникающими различными видами поляризационного излучения. Более того, развитые в данной главе модели позволяют определять все возможные характеристики поляризационного излучения, в том числе, и в других спектральных диапазонах. Разработанные в пятой главе модели генерации поляризационного излучения частицами, обладающими собственным магнитным моментом, могут быть использованы для создания поляриметров нового типа, которые основаны на обратном переходном излучении, а также для разработки схем диагностики пучков закрученных частиц. Отдельно заметим, что представленные в данной работе теоретические модели также позволяют определять по уже известным характеристикам излучения диэлектрические свойства веществ и материалов.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается, прежде всего, их аналитической формой, что позволило совершить предельные переходы к результатам, полученным авторами известных и авторитетных работ. Следующим, не менее важным, критерием достоверности полученных в диссертации результатов является разумное согласие большинства представленных выводов и положений работы с результатами экспериментальных исследований. Обнаруженные расхождения были в пределах применяемых допущений и не несли искажения физического смысла исследуемых процессов.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на семинарах Инновационной международной научно-образовательной лаборатории «Фотон» кафедры прикладной физики ТПУ (2011 - 2015 года), рабочем совещании в ЦЕРНе (CERN, Женева, Швейцария, 2013 год) и семинарах LUCX-группы японской Национальной лаборатории физики высоких энергий (High Energy Accelerator Research Organization, KEK, Tsukuba, Japan, 2014 год), а также докладывались на международных конференциях и симпозиумах:
• Международная конференция с элементами научной школы для молодёжи «Электромагнитное излучение в науке, промышленности, медицине», Звенигород, 2009 год;
• XVI Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, 2010 год;
• VII и X Международная конференция студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 2010 и 2013 года;
• IX, X и XI International Symposium of «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» («RREPS»), Egham, UK - 2011 год, Erevan, Armeniya - 2013 год и Saint Petersburg, Russian Federation - 2015 год;
• XLV Школа ПИЯФ «Физика Конденсированного Состояния - 2011», Рощино, РАН, 2011 год;
• Круглый стол с элементами научной школы по итогам «Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области физических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки», Томск, 2011 год;
• V и VI International Conference «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» («Channeling»), Alghero, Italy - 2012 год и Capry, Italy - 2014 год;
• 2d «International Beam Instrumentation Conference» («IBIC 2013»), Oxford, UK, 2013 год;
• III Mini-workshop for Advanced Generation of THz and Compton X-ray beams «AGTaX» using compact electron accelerator, Moscow, Russian Federation - 2014 год.
Личный вклад. Автор принимал активное участие во всех этапах работы, начиная от постановки задач, создания математических моделей, проведения аналитических расчётов и компьютерного моделирования разработанных математических моделей, и, заканчивая анализом полученных результатов и их представлением научной общественности в виде докладов и публикаций. Все представленные в работе аналитические модели процессов генерации поляризационного излучения были получены лично соискателем, включая их компьютерную реализацию. Также автор внёс основной вклад в систематизацию и обобщение метода поляризационных токов. В частности, соискателем были описаны основные пределы применимости развиваемого в работе подхода, разрешена проблемы учёта поляризационных свойств излучения и влияния внешних полей.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 7 печатных изданиях [43,46-51], 6 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК [43,46,48-51].
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и одного приложения. Полный объем диссертации составляет 134 страницы, включая 33 рисунка, 3 таблицы и список литературы, содержащий 184 наименования.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Впервые проведена полная систематизация исследований, посвящённых развитию метода поляризационных токов, которая позволила выявить фундаментальные ограничения данного подхода и успешно дополнить его новыми положениями. Так для устранения последствий применения в теории принципа взаимности Х.А. Лоренца, приводившего к потери информации о поляризационных характеристиках излучения, был использован подход Дж.Г. Стокса. Применение последнего не только позволило получить уже известные в теории переходного и дифракционного излучения результаты, что фактический подтвердило правомерность его использования в развиваемом методе, но и описать поляризационные характеристики излучения для более сложных условий задачи. Для исследования характеристик излучения во внешних полях метод поляризационных токов был дополнен подходом А.А. Рисбуда, который опирался на предложенные в работах И.М. Франка идеи. Реализация последних в методе поляризационных токов позволила получить в компактной форме более точное решение задачи о генерации переходного излучения под воздействием внешнего электромагнитного поля в геометрии Гинзбурга-Франка и подтвердить основные результаты теории А.А. Рис- буда.
2. Полученные в работе аналитические модели для расчёта спектрально-угловых характеристик поляризационного излучения, возникающего под воздействием кулоновского поля заряженных частиц при их взаимодействии с диэлектрическими мишенями различной конфигурации, учитывают влияние размеров мишени и диэлектрических свойств вещества (дисперсионные и абсорбирующие) на характеристики возникающего излучения. Созданные модели применимы в широком диапазоне длин волн (от рентгеновского до миллиметрового) и описывают процессы одновременной генерации нескольких типов поляризационного излучения. Проведённые аналитические и численные расчёты по разработанным моделям в сравнении с результатами, полученными классическими методами, демонстрируют хорошее согласие. Более того, основные следствия, полученные на основании представленных моделей успешно прошли экспериментальную проверку как для рентгеновского, так и для миллиметрового диапазонов длин волн.
3. В рамках развиваемого подхода теоретически установлено, что за генерацию поляризационного излучения ответственны токи, возникающие в приповерхностных слоях диэлектрических мишеней (если частица пролетает вблизи мишени), а также в слоях вещества, наиболее близко расположенных к траектории заряженной частицы (при движении частицы в веществе). Размеры эффективной области поляризации вещества мишени определяются 4 параметрами, характеризующими зону формирования излучения внутри мишени (длина и глубина когерентности) и область его затухания (длина поглощения и эффективный радиус затухания кулоновского поля). Выражения для указанных параметров, полученные на основании метода поляризационных токов, полностью согласуются с результатами микроскопической теории.
4. Из решения системы уравнений Максвелла для поляризационного тока, возникающего в результате динамической поляризации среды полем заряженной частицы, установлено, что характеристики излучения Вавилова-Черенкова существенно зависят как от геометрии мишени, так и от условий пролёта заряженной частицы. В частности, направление распространения черенковского излучения в общем случае наклонного пролёта заряженной частицы вблизи диэлектрической мишени не подчиняется известному условию Вавилова-Черенкова, а определяется, главным образом, ориентацией излучающей грани относительно траектории частицы и зависит от её длины.
5. Применение разработанных моделей в мягком рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне частот позволили обобщить существующие теории рентгеновского черенковско- го излучения и установить новые закономерности во влиянии условий пролёта заряженных частиц и геометрических параметров мишени на характеристики поляризационного излучения. Детальный анализ свойств поляризационного излучения, возникающего в рентгеновском диапазоне частот, позволил установить, что излучение Вавилова- Черенкова может возникать за пределами краёв поглощения вещества, и как следствие, будет обладать спектральной дисперсией. По этой причине, основным условием возникновения черенковского эффекта в рассматриваемом диапазоне частот является выполнение критерия Вавилова-Черенкова.
6. На основании внедрённого в метод поляризационных токов подхода Дж.Г. Стокса определены поляризационные характеристики черенковского излучения, возникающего при наклонном пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрического экрана конечных размеров. Установлено, что излучение, возникающее в такой геометрии будет в самом общем случае обладать эллиптической поляризацией.
7. На основании обобщённого метода изображений в формализме В.Е. Пафомова установлено, что наличие собственного магнитного момента у заряженной частицы приводит к возникновению гибридного ец-излучения в случае взаимодействия последней с непрозрачной средой при условии поперечной относительно импульса частицы ориентации магнитного момента. Смешанная компонента излучения, в свою очередь, является причиной появления асимметрии в угловом распределении переходного излучения, что может быть использовано для анализа спиновых состояний пучков заряженных частиц.
8. Впервые показано, что наличие орбитального углового момента у заряженных частиц способствует изменению поляризационных свойств переходного излучения. В частности, при наклонном пролёте заряженных частиц, обладающих орбитальным угловым моментом, через идеально проводящую мишень возникает циркулярно поляризованная компонента переходного излучения. Последняя может быть использована для определения величины орбитального углового момента пучков закрученных частиц.
Благодарность. В заключении хочу выразить искрению благодарность всем родным и близким мне людям за их веру и поддержку, особенно в непростой период подготовки данной работы, которую я с превеликой радостью им посвящаю.
Автор выражает глубокую признательность людям, радеющим за своё дело и бескорыстно преданных ему: А.П. Потылицыну, Г.А. Науменко, В.А. Сердюцкому, С.Р. Углову, М.В. Шевелёву, А.С. Арышеву и Л.В. Пузыревич, с кем автор имел честь работать и перенять их драгоценный опыт, без участия которых данная работа не состоялась бы. Кроме того, я хочу поблагодарить Д.В. Карловца, К.О. Кручинина, Л.Г. Сухих, Ю.С. Талаеву, Д.Б. Ка- литвинцева и Н.Н. Петракову за их вклад в развитие метода поляризационных токов, а также за полезные замечания и обсуждения отдельных аспектов работы. Отдельную благодарность автор выражает профессору Дж. Уракаве (J. Urakawa), профессору Н. Терунуме (N. Terunuma), госпоже К. Икеде (K. Ikeda) за оказанную честь и предоставленную возможность принять участие в работе LUCX-группы японской Национальной лаборатории физики высоких энергий (High Energy Accelerator Research Organization, KEK, Япония), где была получена существенная часть представленных в диссертации результатов. Также я хотел бы поблагодарить профессора П. Каратаева за активное продвижение развиваемого метода и любезно предоставленную мне возможность принять участие в работе группы ускорительной физики Института Джона Адамса при Лондонском королевском университете им. четы Холлоуэй (John Adams Institute at Royal Holloway, University of London, Великобритания). Я искренне признателен экспериментальной группе (Г.А. Науменко, В.В. Блеко и В.В. Соболева) и персоналу (Н.А. Лашук, Г.А. Саруев) микротрона ФТИ ТПУ за проведение цикла экспериментальных работ, которые позволили подтвердить большую часть представленных в диссертации результатов и задали основное направление в развитии теории. Автор особо благодарен Р.Р. Дусаеву и Б.И. Василишину за помощь в оформлении диссертации и конструктивные обсуждения рассматриваемых в данной работе вопросов.
Отдельно хочу поблагодарить А.А. Сметанина, О.А. Аристова, О.С. Коновалову и В.Н. Богатырёва за их тяжкий труд по поддержанию автора в добром здравии, без участия которых представленная работа вряд ли бы увидела свет.
Автор глубоко признателен компании Bergoz Instrumentation за их спонсорскую поддержку, которая позволила ему представить материалы диссертационного исследования на международной конференции «IBIC 2013» в Оксфорде (Великобритания). Кроме того, я особенно благодарен Российскому Фонду Фундаментальных Исследований, при финансовой поддержке которого была выполнена большая часть представленных в диссертации исследований (проект № 14-02-31642 мол_а).
1. Впервые проведена полная систематизация исследований, посвящённых развитию метода поляризационных токов, которая позволила выявить фундаментальные ограничения данного подхода и успешно дополнить его новыми положениями. Так для устранения последствий применения в теории принципа взаимности Х.А. Лоренца, приводившего к потери информации о поляризационных характеристиках излучения, был использован подход Дж.Г. Стокса. Применение последнего не только позволило получить уже известные в теории переходного и дифракционного излучения результаты, что фактический подтвердило правомерность его использования в развиваемом методе, но и описать поляризационные характеристики излучения для более сложных условий задачи. Для исследования характеристик излучения во внешних полях метод поляризационных токов был дополнен подходом А.А. Рисбуда, который опирался на предложенные в работах И.М. Франка идеи. Реализация последних в методе поляризационных токов позволила получить в компактной форме более точное решение задачи о генерации переходного излучения под воздействием внешнего электромагнитного поля в геометрии Гинзбурга-Франка и подтвердить основные результаты теории А.А. Рис- буда.
2. Полученные в работе аналитические модели для расчёта спектрально-угловых характеристик поляризационного излучения, возникающего под воздействием кулоновского поля заряженных частиц при их взаимодействии с диэлектрическими мишенями различной конфигурации, учитывают влияние размеров мишени и диэлектрических свойств вещества (дисперсионные и абсорбирующие) на характеристики возникающего излучения. Созданные модели применимы в широком диапазоне длин волн (от рентгеновского до миллиметрового) и описывают процессы одновременной генерации нескольких типов поляризационного излучения. Проведённые аналитические и численные расчёты по разработанным моделям в сравнении с результатами, полученными классическими методами, демонстрируют хорошее согласие. Более того, основные следствия, полученные на основании представленных моделей успешно прошли экспериментальную проверку как для рентгеновского, так и для миллиметрового диапазонов длин волн.
3. В рамках развиваемого подхода теоретически установлено, что за генерацию поляризационного излучения ответственны токи, возникающие в приповерхностных слоях диэлектрических мишеней (если частица пролетает вблизи мишени), а также в слоях вещества, наиболее близко расположенных к траектории заряженной частицы (при движении частицы в веществе). Размеры эффективной области поляризации вещества мишени определяются 4 параметрами, характеризующими зону формирования излучения внутри мишени (длина и глубина когерентности) и область его затухания (длина поглощения и эффективный радиус затухания кулоновского поля). Выражения для указанных параметров, полученные на основании метода поляризационных токов, полностью согласуются с результатами микроскопической теории.
4. Из решения системы уравнений Максвелла для поляризационного тока, возникающего в результате динамической поляризации среды полем заряженной частицы, установлено, что характеристики излучения Вавилова-Черенкова существенно зависят как от геометрии мишени, так и от условий пролёта заряженной частицы. В частности, направление распространения черенковского излучения в общем случае наклонного пролёта заряженной частицы вблизи диэлектрической мишени не подчиняется известному условию Вавилова-Черенкова, а определяется, главным образом, ориентацией излучающей грани относительно траектории частицы и зависит от её длины.
5. Применение разработанных моделей в мягком рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне частот позволили обобщить существующие теории рентгеновского черенковско- го излучения и установить новые закономерности во влиянии условий пролёта заряженных частиц и геометрических параметров мишени на характеристики поляризационного излучения. Детальный анализ свойств поляризационного излучения, возникающего в рентгеновском диапазоне частот, позволил установить, что излучение Вавилова- Черенкова может возникать за пределами краёв поглощения вещества, и как следствие, будет обладать спектральной дисперсией. По этой причине, основным условием возникновения черенковского эффекта в рассматриваемом диапазоне частот является выполнение критерия Вавилова-Черенкова.
6. На основании внедрённого в метод поляризационных токов подхода Дж.Г. Стокса определены поляризационные характеристики черенковского излучения, возникающего при наклонном пролёте заряженной частицы вблизи диэлектрического экрана конечных размеров. Установлено, что излучение, возникающее в такой геометрии будет в самом общем случае обладать эллиптической поляризацией.
7. На основании обобщённого метода изображений в формализме В.Е. Пафомова установлено, что наличие собственного магнитного момента у заряженной частицы приводит к возникновению гибридного ец-излучения в случае взаимодействия последней с непрозрачной средой при условии поперечной относительно импульса частицы ориентации магнитного момента. Смешанная компонента излучения, в свою очередь, является причиной появления асимметрии в угловом распределении переходного излучения, что может быть использовано для анализа спиновых состояний пучков заряженных частиц.
8. Впервые показано, что наличие орбитального углового момента у заряженных частиц способствует изменению поляризационных свойств переходного излучения. В частности, при наклонном пролёте заряженных частиц, обладающих орбитальным угловым моментом, через идеально проводящую мишень возникает циркулярно поляризованная компонента переходного излучения. Последняя может быть использована для определения величины орбитального углового момента пучков закрученных частиц.
Благодарность. В заключении хочу выразить искрению благодарность всем родным и близким мне людям за их веру и поддержку, особенно в непростой период подготовки данной работы, которую я с превеликой радостью им посвящаю.
Автор выражает глубокую признательность людям, радеющим за своё дело и бескорыстно преданных ему: А.П. Потылицыну, Г.А. Науменко, В.А. Сердюцкому, С.Р. Углову, М.В. Шевелёву, А.С. Арышеву и Л.В. Пузыревич, с кем автор имел честь работать и перенять их драгоценный опыт, без участия которых данная работа не состоялась бы. Кроме того, я хочу поблагодарить Д.В. Карловца, К.О. Кручинина, Л.Г. Сухих, Ю.С. Талаеву, Д.Б. Ка- литвинцева и Н.Н. Петракову за их вклад в развитие метода поляризационных токов, а также за полезные замечания и обсуждения отдельных аспектов работы. Отдельную благодарность автор выражает профессору Дж. Уракаве (J. Urakawa), профессору Н. Терунуме (N. Terunuma), госпоже К. Икеде (K. Ikeda) за оказанную честь и предоставленную возможность принять участие в работе LUCX-группы японской Национальной лаборатории физики высоких энергий (High Energy Accelerator Research Organization, KEK, Япония), где была получена существенная часть представленных в диссертации результатов. Также я хотел бы поблагодарить профессора П. Каратаева за активное продвижение развиваемого метода и любезно предоставленную мне возможность принять участие в работе группы ускорительной физики Института Джона Адамса при Лондонском королевском университете им. четы Холлоуэй (John Adams Institute at Royal Holloway, University of London, Великобритания). Я искренне признателен экспериментальной группе (Г.А. Науменко, В.В. Блеко и В.В. Соболева) и персоналу (Н.А. Лашук, Г.А. Саруев) микротрона ФТИ ТПУ за проведение цикла экспериментальных работ, которые позволили подтвердить большую часть представленных в диссертации результатов и задали основное направление в развитии теории. Автор особо благодарен Р.Р. Дусаеву и Б.И. Василишину за помощь в оформлении диссертации и конструктивные обсуждения рассматриваемых в данной работе вопросов.
Отдельно хочу поблагодарить А.А. Сметанина, О.А. Аристова, О.С. Коновалову и В.Н. Богатырёва за их тяжкий труд по поддержанию автора в добром здравии, без участия которых представленная работа вряд ли бы увидела свет.
Автор глубоко признателен компании Bergoz Instrumentation за их спонсорскую поддержку, которая позволила ему представить материалы диссертационного исследования на международной конференции «IBIC 2013» в Оксфорде (Великобритания). Кроме того, я особенно благодарен Российскому Фонду Фундаментальных Исследований, при финансовой поддержке которого была выполнена большая часть представленных в диссертации исследований (проект № 14-02-31642 мол_а).