Ориентационные эффекты в поляризационном тормозном излучении релятивистских электронов в частично упорядоченных средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Нажмудинов Рамазан Магомедшапиевич

• Нажмудинов Рамазан Магомедшапиевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Нажмудинов Рамазан Магомедшапиевич

Введение

Глава 1. Теоретические модели поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов, образующегося в поликристаллических средах

1.1 Поляризационное тормозное излучение релятивистских электронов в идеальных поликристаллах

1.2 Поляризационное тормозное излучение релятивистских электронов в поликристаллах с текстурой

Глава 2. Экспериментальные исследования спектрально-углового распределения поляризационного тормозного излучения

2.1 Экспериментальная установка для исследования поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в поликристаллах

2.2 Измерение спектров поляризационного тормозного излучения Л1, М, Си, Mo и W мишеней в геометрии обратного рассеяния

2.3 Измерение спектров поляризационного тормозного излучения W мишени при углах наблюдения, равных 90.8, 119.6, 151.0 и 180.0°

2.4 Измерение ориентационных зависимостей выхода поляризационного тормозного излучения W мишени

Глава 3. Анализ измеренных характеристик поляризационного тормозного излучения в поликристаллах с текстурой

3.1 Спектры поляризационного тормозного излучения

3.2 Ориентационные зависимости выхода поляризационного тормозного излучения

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ориентационные эффекты в поляризационном тормозном излучении релятивистских электронов в частично упорядоченных средах»

Введение

Электромагнитным излучением заряженных частиц начали интересоваться ещё с конца XIX в. Очевидно, что для генерации излучения требуется взаимодействие заряженной частицы с веществом или внешним полем. В зависимости от характера взаимодействия, могут возникать различные виды излучения: характеристическое, тормозное, синхротронное, ондуляторное, излучение при каналировании, Вавилова-Черенкова, переходное, Смита-Парселла, параметрическое и др., — основные свойства которых описаны, например, в обзоре [1]. Спектры указанных видов излучения имеют различный вид и могут лежать в широком диапазоне энергий: от инфракрасного до гамма-излучения. Угловые распределения, как правило, зависят от фактора Лоренца у заряженных частиц и свойств среды, в которой они движутся.

Несмотря на большое количество видов излучения, условно можно выделить три механизма их происхождения: ионизационный, поляризационный и тормозной.

При движении в среде энергия заряженной частицы уменьшается вследствие ионизационных потерь [2]. В электронных оболочках атомов среды образуются вакансии, заполнение которых сопровождается испусканием квантов характеристического излучения. Энергия квантов зависит от строения атомов и определяется разницей энергий начального электронного уровня (с которого осуществляется переход электрона) и уровня с вакансией. Спектр характеристического излучения представляет собой набор узких пиков, энергия которых может лежать в диапазоне от 10 эВ до 150 кэВ [3]. Такое излучение называется характеристическим рентгеновским излучением (ХРИ) и широко используется для определения качественного и количественного элементного состава веществ [4].

Тормозной механизм излучения реализуется при изменении скорости заряженной частицы. То есть движение заряженных частиц в веществе всегда сопровождается потерями их энергии на тормозное излучение (радиационными потерями). Происхождение названия «тормозное излучение» (ТИ) связано с тем, что впервые такое излучение наблюдалось при торможении электронов в металлических мишенях [5]. Поэтому, когда говорят о тормозном излучении, подразумевают излучение, образующееся при рассеянии частиц в поле атомов. Аналогичный механизм излучения реализуется не только при торможении частиц в среде, но и при их движении, например, в магнитном поле [6]. В этом случае говорят о генерации так называемого синхротронного или магнитотормозного излучения. Отдельно следует отметить, что возможно создать такую конфигурацию поля, в которой частица будет совершать колебательное движение. Такое движение реализуется в случае каналирования частиц в кристаллах (тогда говорят об излучении при каналировании) или при их движении в устройствах с пространственно-периодическими электромагнитными полями — ондуляторах (в этом случае говорят об ондуляторном излучении). Несмотря на один механизм, спектральные и пространственные характеристики излучения в описанных случаях существенно отличаются. Спектр тормозного излучения сплошной, при этом максимальная энергия тормозных квантов равна кинетической энергии первичных заряженных частиц [7]. Угловое распределение тормозного излучения имеет сложный вид и зависит от энергии первичных заряженных частиц [8-11]. Можно отметить, что пространственное распределение интенсивности тормозного излучения нерелятивистских частиц близко к изотропному, а для релятивистских частиц трансформируется в веретено с осью, параллельной скорости нелетающих частиц [12]. В случае синхротронного излучения наблюдается похожая картина: для нерелятивистских частиц пространственное распределение интенсивности имеет форму тора с минимумом в направлении, перпендикулярном скорости частиц и индукции магнитного поля, а для релятивистских — искажается из-за эффекта Доплера и приобретает вид узкого конуса (капли) с полным раствором порядка 2у_1 и осью, направленной по

направлению движения заряженных частиц. Ситуация осложняется в случае движения заряженных частиц по синусоидальным или винтовым траекториям в ондуляторах или кристаллах. Спектрально-угловое распределение излучения в этом случае существенно меняется из-за интерференции. Основные свойства синхротронного и ондуляторного излучений описаны в обзорах [13; 14], излучения при каналировании — в работе [15].

При движении заряженной частицы в среде электроны в оболочках атомов начинают колебаться под действием кулоновского поля налетающей частицы (начинает колебаться дипольный момент атома, в этом случае говорят о динамической поляризации атомов среды), что приводит к появлению дополнительного электромагнитного излучения. Фактически это излучение является тормозным излучением электронов атомных оболочек, возмущенных кулоновским полем пролетающей заряженной частицы. В данной работе такое излучение будем называть «поляризационным тормозным излучением» (ПТИ) (аналогично работам [1; 16]). Можно сказать, что при реализации поляризационного механизма, в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля, атомы вещества становятся вторичными источниками электромагнитного излучения. Свойства вторичного излучения определяются, с одной стороны, геометрическими и структурными характеристиками мишени, с другой стороны, — характеристиками налетающих частиц (в первую очередь их энергией и зарядом).

К поляризационному излучению можно отнести:

• излучение Вавилова-Черенкова [17],

• переходное излучение (ПИ) — излучение, возникающее при пересечении заряженными частицами неоднородностей диэлектрической проницаемости, в простейшем случае, — границы раздела вакуум-среда (основные свойства ПИ и излучения Вавилова-Черенкова описаны в книгах [18] и [19]),

• излучение Смита-Парселла (излучение, образующееся при движении заряженной частицы вдоль периодической структуры) [20; 21],

• параметрическое рентгеновское излучение (ПРИ; когерентная часть ПТИ, возникающего в средах с упорядоченной или частично упорядоченной структурой, например в кристаллах и поликристаллах).

Стоит отметить, что для возникновения ПТИ (в отличие от классического тормозного излучения) не требуется ускорения налетающей частицы, и излучение может возникать при ее прямолинейном равномерном движении. Данное обстоятельство позволяет при исследовании свойств ПТИ использовать пучки тяжелых частиц (см., например, расчет характеристик ПТИ ионов в работе [22]) для подавления выхода классического ТИ, что важно, так как при движении заряженной частицы в веществе все описанные выше механизмы происходят одновременно, и возможность определить происхождение излучения имеется не всегда. Так, в одной из первых работ, посвященных ПТИ [23] рассматривается тормозное излучение релятивистских электронов в плазме и отмечается существование условий, когда выходы тормозного и поляризационного излучений сравнимы.

Настоящая работа посвящена изучению свойств ПТИ, образующегося при взаимодействии электронов с энергией 7 МэВ с поликристаллическими фольгами, и является логическим продолжением совместных исследований, проводимых последнее десятилетие сотрудниками Лаборатории радиационной физики НИУ «БелГУ» и Лаборатории ускорительных устройств Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН).

Актуальность и развитие исследований ПТИ

Впервые коллективные эффекты когерентной составляющей ПТИ (или ПРИ) релятивистских электронов в поликристаллах были предсказаны в 1998 году в работе [16]. Было показано, что при взаимодействии релятивистских электронов с поликристаллами генерируется поляризационное излучение, спектр которого содержит набор пиков с энергиями, зависящими от параметров атомной структуры поликристалла и от угла наблюдения (угла между вектором скорости заряженных частиц и направлением распространения регистрируемого

излучения). В 1999 году был проведен эксперимент, в котором впервые был измерен спектр ПТИ (см. работы [24; 25]), образующегося при взаимодействии электронов с энергией 2.4 МэВ с алюминиевой фольгой толщиной 2 мкм; излучение регистрировалось при угле наблюдения 90°. В этих работах также было выполнено сравнение теоретических и экспериментальных данных, подтверждающее правильность подхода предложенного в работе [16]. Следует, однако, отметить, что из-за выбранного угла наблюдения пики в спектре ПТИ имели большую ширину и накладывались друг на друга (в работе наблюдались пики ПТИ от трех кристаллографических плоскостей алюминия: (111), (200) и (220), — при этом пики от плоскостей (111) и (200) слились в один). Более детальные экспериментальные исследования ПТИ из поликристаллов выполнены в работах [26; 27], где измерялись спектры ПТИ электронов с энергией 7 МэВ, образующегося в Al, Ni и Cu фольгах. Измерения проводились при углах наблюдения 75, 83 и 90°. Количественное сравнение полученных результатов с теорией показало хорошее согласие.

Также в 2006 году были измерены спектры ПТИ электронов с энергией 150 МэВ, образующегося в текстурированном поликристалле (поликристалле с наличием преимущественной ориентации зерен) молибдена при углах наблюдения 11.27, 25.89 и 179.85° [28; 29]. На спектрах, измеренных под углами наблюдения 11.27 и 25.89°, были хорошо заметны пики ПТИ, соответствующие кристаллографическим плоскостям (110), (220) и (112), при этом было показано, что вид спектров ПТИ зависит от ориентации поликристаллической мишени с текстурой. Влияние текстуры на спектры ПТИ в поликристаллах также было продемонстрирована позже в работах [30-32], в которых исследовалось спектрально-угловое распределение излучения, образующегося при взаимодействии электронов с энергией 7 МэВ с различными поликристаллическими мишенями (Al, Ni, Cu, Nb, Mo, W) при различных углах наблюдения.

В 2007 году в работе [33] теоретически была исследована зависимость спектрально-угловых характеристик ПТИ от угла наблюдения. В работе

отмечалось, что при угле наблюдения 180° (то есть для излучения, распространяющегося против скорости заряженных частиц или в геометрии обратного рассеяния) пики в спектре ПТИ становятся аномально узкими, а их амплитуда существенно возрастает. Принимая во внимание данный результат, в 2012 году были измерены спектры ПТИ в геометрии обратного, при этом впервые достоверно были зарегистрированы искомые пики когерентной части ПТИ [30]. Исследуемое излучение генерировалось при взаимодействии электронов с энергией 7 МэВ с медной фольгой. В ходе проведения эксперимента наблюдались пики ПТИ, соответствующие кристаллографическим плоскостям (111), (200), (220) и (311), сосредоточенные в диапазоне энергий 3-8 кэВ. Однако из-за наличия текстуры в поликристаллической мишени зафиксировать все четыре пика на одном спектре не удалось (некоторые пики в спектре проявлялись только при определенных ориентациях мишени). Дальнейшие эксперименты [34; 35], выполненные в 2013 и 2014 годах, показали возможность генерации когерентного ПТИ при взаимодействии электронов с энергией 7 МэВ с мелкозернистыми поликристаллами (в качестве мишеней выступали Ni фольги со средним размером зерен 50 и 300 нм).

На данный момент детально исследовано ПТИ, образующееся при взаимодействии заряженных частиц с отдельными атомами (см., например, работы [36-42]). Обзор достижений в области исследования ПТИ представлен в работе [43].

Несмотря на значительное количество экспериментальных результатов по измерению спектрально-угловых характеристик ПТИ, теоретические модели разработаны преимущественно или для полностью разориентированных поликристаллов (поликристаллов без текстуры) [16; 44], или для кристаллов с высокой степенью совершенства (см. работу [45]). Явный пробел в теории ПТИ, образующегося в частично-упорядоченных средах, делает актуальным проведение теоретических исследований совместно с проведением новых экспериментов, направленных на поиск новых особенностей ПТИ.

Целью диссертационной работы является исследование ориентационных эффектов в спектрально-угловом распределении ПТИ релятивистских электронов, образующегося в текстурированных поликристаллах.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Модернизировать имеющуюся экспериментальную установку для проведения исследований.

2. Провести измерения спектров ПТИ релятивистских электронов в поликристаллах с текстурой под различными углами наблюдения процесса излучения.

3. Исследовать спектрально-угловые зависимости характеристик ПТИ от угла ориентации текстурированной поликристаллической мишени относительно пучка инициирующих излучение релятивистских электронов.

4. Выполнить расчет спектров и ориентационных зависимостей ПТИ в рамках условий проведенных экспериментов на основе имеющихся моделей.

5. Сравнить теоретические и экспериментальные результаты.

Научная новизна полученных результатов

При проведении настоящего диссертационного исследования были впервые получены следующие результаты:

• Показано изменение положения пиков в спектрах ПТИ релятивистских электронов, взаимодействующих с текстурированными поликристаллами, от ориентации поликристаллической мишени относительно оси пучка электронов при фиксированном угле наблюдения излучения.

• Показано уширение пиков в спектре ПТИ релятивистских электронов из текстурированных поликристаллов при уменьшении угла наблюдения излучения.

• Показан рост амплитуды пиков в спектре ПТИ релятивистских электронов из текстурированных поликристаллов при увеличении угла наблюдения излучения.

• Показано уширение ориентационных зависимостей выхода ПТИ релятивистских электронов из текстурированных поликристаллов в геометрии обратного рассеяния (угол наблюдения 180°).

• Выполнено сравнение спектрально-угловых характеристик ПТИ релятивистских электронов из текстурированных поликристаллов с существующими моделями описания ПТИ для бестекстурных поликристаллов и кристаллов с высокой степенью совершенства.

Научная (теоретическая) и практическая значимость полученных результатов

Научная значимость работы определятся новыми результатами экспериментальных исследований ПТИ релятивистских электронов, образующегося в конденсированных средах с частично упорядоченной структурой, существенно расширивших существовавшие к началу исследований знания. Полученные результаты являются достаточными для сравнения с существующими математическими моделями, что и позволило впервые выполнить верификацию имеющихся моделей на основе полученных в диссертационной работе экспериментальных результатов.

Практическая значимость полученных результатов определяется развиваемым в настоящее время новым подходом к диагностике атомной и блочной структуры конденсированных сред, основу которого составляет измерение спектрально-угловых характеристик ПТИ. Полученные в настоящей работе результаты подтверждают правомерность основных принципов данного направления и могут стать основой для развития новых неразрушающих методов исследования структуры поликристаллических тел. Согласно известным источникам, ПТИ может использоваться для:

• определения параметров и типа кристаллической структуры изучаемых образцов, что отмечалось в работах [26; 27; 46; 47];

• определения размеров зерен в поликристаллах до нанометрового масштаба (см. работы [44; 46; 48; 49]);

• исследования текстуры поликристаллов [32; 50].

Стоит отметить, что ПТИ образуется внутри исследуемого образца и поглощается только при выходе из него, что позволяет извлекать информацию о структуре вещества с большей глубины образца по сравнению с традиционными методами рентгеноструктурного анализа [50]. Простота формирования пучков заряженных частиц (по сравнению с пучками рентгеновского излучения) также дает преимущества в случае использования ПТИ для исследований локальной атомной и блочной структуры вещества.

Методы исследований.

Все основные экспериментальные исследования были выполнены на основе инструментальной базы Отдела физики высоких энергий ФИАН и Лаборатории радиационной физики НИУ «БелГУ». В качестве источника быстрых электронов использовался микротрон с энергией ускоренных электронов 7 МэВ, являющийся инжектором синхротрона С-25Р «Пахра». Для исследования ПТИ использовались стандартные методы экспериментальной ядерной и ускорительной физики. Измерения спектров ПТИ проводились полупроводниковыми кремниевыми детекторами Amptek, контроль положения используемых для генерации ПТИ мишеней проводился моторизованными прецизионными позиционерами Standa. В ходе экспериментов разрабатывались адаптированные к использовавшейся установке методы подавления радиационного фона на основе жёсткой коллимации измеряемого сигнала, разработки низкофоновой геометрии установки и синхронизации времени измерения сигнала с временной структурой сброса пучка микротроном. Перечисленные особенности проведения эксперимента позволили достоверно зафиксировать искомые эффекты без дополнительной

математической обработки полученных данных (вычитания фона, сглаживания статистических данных и пр.).

Теоретические расчеты выполнялись на основе известных моделей ПТИ релятивистских электронов из совершенных кристаллов и идеальных (бестекстурных) поликристаллов, выведенным при решении системы уравнений Максвелла с помощью преобразований Фурье или полученным при помощи метода Вейцзеккера-Уильямса [51; 52], суть которого сводится к формальной замене кулоновского поля заряженной частицы набором виртуальных фотонов с определенными спектральным и угловым распределениями. Расчеты выполнены на основе работ [33; 44; 53].

Достоверность полученных результатов.

Общепризнанными критериями, подтверждающими достоверность экспериментально полученных результатов, являются малая величина статистической ошибки, повторяемость результатов и использование откалиброванного сертифицированного оборудования. В настоящей работе все приведённые условия выполнялись. Для проведения измерений проводился предварительный анализ используемого оборудования и геометрии экспериментальной установки с целью минимизации количества и интенсивности источников фона. Все основные результаты диссертационного исследования получены с использованием энергодисперсионных полупроводниковых детекторов рентгеновского излучения, в достаточной степени изученных и хорошо себя зарекомендовавших.

Сравнение полученных экспериментально результатов с математическими моделями проводилось в рамках существующего описания ПТИ на основе кинематической теории дифракции рентгеновского излучения в кристаллах. Выполненное сравнение показало хорошее согласие теории и эксперимента. Обнаруженные расхождения объясняются отличием рассматриваемого в диссертационных исследованиях случая от классических случаев использования в

качестве мишеней бестекстурных поликристаллов и кристаллов с высокой степенью совершенства атомной и блочной структуры.

Результаты всех экспериментов не противоречат известным результатам в обсуждаемой области физики и могут быть воспроизведены.

Положения, выносимые на защиту:

1. Положение когерентных пиков в спектре ПТИ релятивистских электронов, взаимодействующих с текстурированными поликристаллами, зависит от ориентации поликристалла с текстурой относительно оси пучка релятивистских электронов при фиксированном угле наблюдения излучения.

2. Амплитуда когерентных пиков ПТИ релятивистских электронов, взаимодействующих с текстурированными поликристаллами, увеличивается при увеличении угла наблюдения излучения.

3. Спектральная ширина когерентных пиков ПТИ релятивистских электронов, взаимодействующих с текстурированными поликристаллами, уменьшается при увеличении угла наблюдения излучения.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 9 конференциях [54-62], в том числе 8 международных. Результаты работы стали основой для 9 статей [30-32; 34; 35; 63-66], опубликованных в журналах, индексируемых базой данных SCOPUS, 4 из которых опубликованы в российских журналах из перечня ВАК [30; 34; 35; 63]. Две работы [64] и [65] являются переводом статей [34] и [30] на английский язык.

Список конференций, на которых обсуждались результаты диссертации:

• International Symposium RADIATION from RELATIVISTIC ELECTRONS in PERIODIC STRUCTURES (RREPS), 2009 (Россия, Московская обл., г. Звенигород), 2013 (Армения, оз. Севан), 2015 (Россия, г. Санкт-Петербург).

• Международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Россия, г. Москва, МГУ), 2009, 2012, 2014, 2015.

• 6th International conference on "Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena — Channeling 2014", 2014 (Италия, о. Капри).

• 10-я Курчатовская молодежная научная школа (Россия, г. Москва, НИЦ «Курчатовский институт»), 2012.

Список публикаций автора по теме диссертации:

1. Елисеев А. Н., Кубанкин А. С., Нажмудинов Р. М., Насонов Н. Н., Сергиенко В. И., Субботин А. В., Субботин Г. Г., Хабло В. А. Обнаружение эффекта усиления параметрического излучения в условиях скользящего падения релятивистских электронов на поверхность кристалла // Письма в журн. эксперимент. и теорет. физики. - 2009. - Т. 90. - № 6. - С. 483-485.

2. Eliseev A. N., Khablo V. A., Kubankin A. S., Nasonov N. N., Nazhmudinov R. M., Sergienko V. I., Subbotin A. V. First observation of parametric X-ray radiation enhancement for grazing incident electrons // J. of Phys: Conf. Ser. - 2010. - Vol. 236. - 012018. - 6 p.

3. Алексеев В. И., Вохмянина К. А., Елисеев А. Н., Жукова П. Н., Кубанкин А. С., Нажмудинов Р. М., Насонов Н. Н., Полянский В. В., Сергиенко В. И. Обнаружение когерентных пиков поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в поликристалле в геометрии обратного рассеяния // Письма в журн. техн. физики. - 2012. -Т. 38. - № 6. - С. 83-89.

4. Alekseev V. I., Vokhmyanina K. A., Eliseev A. N., Zhukova P. N., Kubankin A. S., Nazhmudinov R. M., Nasonov N. N., Polyanskii V. V., Sergienko V. I. Measuring coherent peaks of polarization bremsstrahlung from relativistic electrons in polycrystalline targets in backscattering geometry // Techn. Phys. Letters. - 2012. - Vol. 38. - Nr. 3. - P. 294-296. (Перевод.)

5. Алексеев В. И., Иррибарра Э. Ф., Кубанкин А. С., Нажмудинов Р. М., Насонов Н. Н., Полянский В. В., Сергиенко В. И. Экспериментальное исследование поляризационного тормозного излучения в мелкозернистых поликристаллах // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед. -2013. - № 3. - С. 88-90.

6. Алексеев В. И., Елисеев А. Н., Иррибарра Э. Ф., Нажмудинов Р. М., Насонов Н. Н., Кубанкин А. С., Полянский В. В., Сергиенко В. И. Диагностика нанодисперсных поликристаллов на основе поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед. - 2014. - № 4. - С. 46-49.

7. Alekseev V. I., Eliseev A. N., Irribarra E. F., Nazhmudinov R. M., Nasonov N. N., Kubankin A. S., Polyanskii V. V., Sergienko V. I. Diagnostics of nanodisperse polycrystals based on the polarization bremsstrahlung of relativistic electrons // J. of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron a. Neutron Techniques. - 2014. - Vol. 8. - Nr. 2. - P. 347-350. (Перевод.)

8. Alekseev V. I., Eliseev A. N., Irribarra E. F., Kishin I. A., Kubankin A. S., Nazhmudinov R. M., Polyanski V. V., Sergienko V. I., Zhukova P. N. Research of the polarization bremsstrahlung of relativistic electrons in polycrystalline targets // Nuclear Instruments a. Methods in Phys. Research B. - 2015. - Vol. 342. -P. 47-51.

9. Alekseev V. I., Eliseev A. N., Irribarra E. F., Kishin I. A., Kubankin A. S., Levina V. S., Nikulin I. S., Nazhmudinov R. M., Sergienko V. I. Polarization bremsstrahlung by relativistic electrons in backscattering geometry for diagnosing atomic structure of polycrystals // Advanced Materials Research. - 2015. -Vol. 1084. - P. 246-251.

Личный вклад автора

Соискатель внёс основной вклад во все этапы работы: постановка задач, аналитические расчёты, разработка экспериментальных установок, на которых были получены экспериментальные результаты диссертационных исследований,

компьютерное моделирование рассматриваемых процессов излучений, разработка и испытание методик проведения экспериментов, постановка экспериментов, проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных. Оформлению публикаций предшествовали коллективные обсуждения, тексты публикаций написаны в основном соискателем.

Связь работы с научными программами

Соискатель являлся исполнителем следующих проектов по тематике диссертационных исследований:

1. грантов федеральной целевой научно-технической программы № П2317 и № 02.740.11.0545;

2. государственных заданий № 2.2508.2011 и № 3.2009.2014/К;

3. грантов РФФИ: № 09-02-97528 р_центр_а и № 12-02-31389 мол_а.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 91 наименования, изложена на 88 страницах и содержит 45 рисунков и 4 таблицы.

Содержание работы

В работе представлены результаты экспериментальных исследований спектрально-угловых и ориентационных распределений ПТИ, образующегося при взаимодействии электронов с энергией 7 МэВ с частично упорядоченными средами — поликристаллами с текстурой. Экспериментальные результаты позволили провести сравнение измеренных спектрально-угловых характеристик ПТИ с существующими моделями и обнаружить ряд новых эффектов.

В первой главе диссертации производится анализ теоретических моделей, позволяющих рассчитать спектрально-угловое распределение ПТИ релятивистских электронов, взаимодействующих с поликристаллическими бестекстурными и кристаллическими мозаичными средами. Отмечается, что

спектр ПТИ, образующегося в полностью разориентированных поликристаллах, состоит из набора пиков, энергия которых близка к значениям, определяемым по формуле Вульфа-Брэгга (то есть зависит от угла наблюдения и межплоскостного расстояния). В то же время, спектр излучения, образующегося в мозаичных кристаллах чувствителен еще и к ориентации мишени относительно пучка заряженных частиц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нажмудинов Рамазан Магомедшапиевич, 2016 год

Список литературы

1. Поляризационное тормозное излучение частиц и атомов / М. Я. Амусья,

B. М. Буймистров, Б. А. Зон и др. М.: Наука. 1987. 334 с.

2. Landau L. D. On the energy loss of fast particles by ionization // J. of Phys. USSR. 1944. Vol. 8. P. 201.

3. Poole D. M. Tables of Physical & Chemical Constants (16th edition 1995) // Kaye & Laby Online. Version 1.0 (2005). URL: http://www.kayelaby.npl.co.uk/ atomic_and_nuclear_physics/4_2/4_2_ 1. html (05.07.2015).

4. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия. Электронное учебно-методическое пособие / А. В. Пирогов, Н. В. Малехонова, А. И. Бобров и др. / под редакцией Д. А. Павлова. Нижний Новгород: Нижегор. гос. у-т. 2014. 73 с.

5. Зоммерфельд А. Строение атома и спектры: в 2-х томах. М.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит. 1956.

6. Арцимович Л. Ф., Померанчук И. Я. Излучение быстрых электронов в магнитном поле // Журн. эксперимент. и теорет. физики. 1946. Т. 16. № 5.

C. 379-389.

7. Wilson R. A formula for thick target bremsstrahlung // Proc. Phys. Soc. A. 1953. Vol. 66. P. 638-644.

8. Koch H. W., Motz J. W. Bremsstrahlung cross-section formulas and related data // Rev. of Modern Phys. 1959. Vol. 31. Nr. 4. P. 920-956.

9. Schiff L. I. Energy-angle distribution of thin target bremsstrahlung // Phys. Rev. 1951. Vol. 83. Nr. 2. P. 252-253.

10. Tseng H. K., Pratt R. H., Lee C. M. Electron bremsstrahlung angular distributions in the 1-500 keV energy range // Phys. Rev. A. 1979. Vol. 19. Iss. 1. P. 187-195.

11. Angular distribution of the bremsstrahlung emission during lower hybrid current drive on PLT / S. Von Goeler, J. Stevens, S. Bernabei et al. // Nuclear Fusion. 1985. Vol. 25. Nr. 11. P. 1515-1528.

12. Scott W. W. Angular distribution of thick-target bremsstrahlung which includes multiple electron scatterings. Washington: Nat. Aeronautics a. Space Administration. 1967. 33 p.

13. Тернов И. М. Синхротронное излучение // Успехи физ. наук. 1995. Т. 165. № 4. С. 429-456.

14. Фетисов Г. В. Синхротронное излучение. Методы исследования структуры веществ / Под ред. Л. А. Асланова. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2007. 672 с.

15. Огнев Л. И. Спектроскопия излучения каналированных частиц — новый метод исследования кристаллов // Успехи физ. наук. 1988. Т. 154. № 4. С. 691-702.

16. Nasonov N. N. Collective effects in the polarization bremsstrahlung of relativistic electrons in condensed media // Nuclear Instruments a. Methods in Phys. Research B. 1998. Vol. 145. P. 19-24.

17. Франк И. М. Излучение Вавилова-Черенкова: Вопросы теории. М.: Наука. 1988. 284 с.

18. Гинзбург В. Л., Цытович В. Н. Переходное излучение и переходное рассеяние (некоторые вопросы теории). Монография. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1984. 360 с.

19. Гарибян Г. М., Ян Ши Рентгеновское переходное излучение. Ереван: Изд-во АН Арм.ССР. 1983. 320 с.

20. Smith-Purcell radiation in view of particle beam diagnostics / G. Kube, H. Backe, W. Lauth et al. // Proc. of 6th Europ. Workshop on Beam Diagnostics a. Instrumentation for Particle Accelerators (DIPAC 2003). Mainz. 2003. P. 40-44.

21. Smith S. J, Purcell E. M. Visible light from localized surface charges moving across a grating // Phys. Rev. 1953. Vol. 92. P. 1069.

22. Астапенко В. А. Поляризационное тормозное излучение тяжелых заряженных частиц в поликристалле // Журн. эксперимент. и теорет. физики. 2004. Т. 156. Вып. 5. С. 1101-1108.

23. Цытович В. Н. Тормозное излучение релятивистской плазмы // Препринт ФИАН. 1971. № 16. 36 с.

24. Polarization bremsstrahlung of relativistic electron in aluminium / S. Blazhevich, A. Chepurnov, V. Grishin et al. // Phys. Letters A. 1999. Vol. 254. P. 230-234.

25. Collective effects in polarization X-ray bremsstrahlung of relativistic electrons and microstructure analysis of media / S. V. Blazhevich, N. N. Nasonov,

A. S. Chepurnov et al. // Proc. of the 1999 Particle Accelerator Conf. New-York. 1999. P. 2584-2586.

26. Экспериментальное измерение поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в поликристаллических мишенях /

B. А. Астапенко, А. С. Кубанкин, Н. Н. Насонов и др. // Письма в журн. эксперимент. и теорет. физики. 2006. Т. 84. Вып. 6. С. 341-344.

27. Угловая зависимость положения когерентного пика в спектре поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в поликристалле / Н. А. Гостищев, А. С. Кубанкин, Н. Н. Насонов и др. // Письма в журн. техн. физики. 2008. Т. 34. Вып. 17. С. 78-82.

28. Parametric X-ray study from textured molybdenum polycrystal / S. Nawang, I. Endo, M. Iinuma et al. // J. of the Phys. Soc. of Jap. 2006. Vol. 75. Nr. 12. P. 124705.1-124705.10.

29. Observation of intense PXR from textured polycrystals / Y. Takabayashi, I. Endo, K. Ueda et al. // Nuclear Instruments a. Methods in Phys. Research B. 2006. Vol. 243. Iss. 2. P. 453-456.

30. Обнаружение когерентных пиков поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в поликристалле в геометрии обратного рассеяния / В. И. Алексеев, К. А. Вохмянина, А. Н. Елисеев и др. // Письма в журн. техн. физики. 2012. Т. 38. № 6. С. 83-89.

31. Polarization bremsstrahlung by relativistic electrons in backscattering geometry for diagnosing atomic structure of polycrystals / V. I. Alekseev, A. N. Eliseev, E. F. Irribarra et al. // Advanced Materials Research. 2015. Vol. 1084. P. 246-251.

32. Research of the polarization bremsstrahlung of relativistic electrons in polycrystalline targets / V. I. Alekseev, A. N. Eliseev, E. F. Irribarra et al. // Nuclear Instruments a. Methods in Phys. Research B. 2015. Vol. 342. P. 47—51.

33. Astapenko V., Nasonov N., Zhukova P. Anomalous peak in the spectrum of polarizational bremsstrahlung from relativistic electrons moving through a solid target // J. Phys. B: Atomic, Molecular a. Optical Phys. 2007. Vol. 40. P. 13371346.

34. Диагностика нанодисперсных поликристаллов на основе поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов / В. И. Алексеев, А. Н. Елисеев, Э. Ф. Иррибарра и др. // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед. 2014. № 4. С. 46-49.

35. Экспериментальное исследование поляризационного тормозного излучения в мелкозернистых поликристаллах / В. И. Алексеев, Э. Ф. Иррибарра, А. С. Кубанкин и др. // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед. 2013. № 3. С. 88-90.

36. Астапенко В. А., Буреева Л. А., Лисица В. С. Поляризационные эффекты в атомных переходах // Успехи физ. наук. 2002. Т. 172. № 2. С. 155-192.

37. Буймистров В. М., Трахтенберг Л. И. Сечение тормозного излучения при рассеянии электрона на атоме водорода // Журн. эксперимент. и теорет. физики. 1975. Т. 69. С. 108-114.

38. Зон Б. А. О тормозном эффекте при столкновении электронов с атомами // Журн. эксперимент. и теорет. физики. 1977. Т. 73. С. 128-133.

39. Dynamic bremsstrahlung of a relativistic charged particle scattered by an atom / V. Astapenko, V. Buimistrov, Yu. Krotov et al. // J. of Experimental a. Theoretical Phys. 1985. Vol. 61. Nr. 5. P. 930-937.

40. Astapenko V. A., Bureeva L. A., Lisitsa V. S. Polarization bremsstrahlung of a fast charged particle on a thomas-fermi atom // J. of Experimental a. Theoretical Phys. 2000. Vol. 90. Nr. 5. P. 788-793.

41. Korol A. V., Solov'yov A. V. Polarizational bremsstrahlung in non-relativistic collisions // Radiation Phys. a. Chemistry. 2006. Vol. 75. Iss. 10. P. 1266-1286.

42. Resonance structures in polarization bremsstrahlung from electron-atom collisions / E. T. Verkhovtseva, E. V. Gnatchenko, A. A. Tkachenko et al. // Radiation Phys. a. Chemistry. 2005. Vol. 74. Iss. 2. P. 51-70.

43. Король А. В., Лялин А. Г., Соловьев А. В. Поляризационное тормозное излучение. СПб: СПбГПУ. 2004. 300 с.

44. Shchagin A. V. Possibilities for measurement of nano-crystallites size with use of parametric X-ray radiation // J. Phys.: Conf. Ser. 2010. Vol. 236. 012020. 9 p.

45. Baryshevsky V. G., Feranchuk I. D., Ulyanenkov A. P. Parametric X-ray radiation in crystals. Theory, experiment and applications // Springer Tracts in Modern Phys. 2005. Vol. 213. 183 p.

46. Жукова П. Н. Коллективные эффекты в процессах рассеяния электромагнитного поля релятивистских электронов в конденсированных структурированных средах: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07. Курск. 2010. 274 с.

47. Модификация EDXD метода диагностики структурированных сред / П. Н. Жукова, А. С. Кубанкин, Н. Н. Насонов и др. // З-дская лаб. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 10. С. 32-37.

48. Nasonov N. N., Nasonova V. A., Popov I. G. Polarization bremsstrahlung from relativistic electrons moving in a small-grained medium // Phys. of Atomic Nuclei. 2001. Vol. 64. Iss. 5. P 966-970.

49. Shchagin A. V. Diffraction in a forward direction of parametric X-ray radiation from relativistic particles of moderate energy // Proc. of SPIE. 2007. Vol. 6634. 663418. 9 p.

50. Иррибарра К. Э. Ф. Экспериментальное исследование поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в нанодисперсных и текстурированных поликристаллах в геометрии обратного рассеяния: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.07. Белгород. 2014. 98 с.

51. Щагин А. В. Коэффициенты Френеля для параметрического рентгеновского (черенковского) излучения // Успехи физ. наук. 2015. Т. 185. № 8. С. 885-894.

52. Zolotarev M. S., McDonald K. T. Classical radiation processes in the Weizsacker-Williams approximation // ARXIV.ORG: E-print archives. arXiv:physics/0003096. 2000. 7 p. (01.07.2015).

53. Кубанкин А. С., Насонов Н. Н. О возможности использования параметрического рентгеновского излучения для исследования анизотропии мозаичности кристаллов // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед. 2008. № 4. С. 76-79.

54. Диагностика поликристаллов на основе поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в геометрии обратного рассеяния / В. И. Алексеев, А. Н. Елисеев, Э. Ф. Иррибарра и др. // Тез. докл. XLIV междунар. Тулинов. конф. по физике взаимодействия заряжен. частиц с кристаллами. М.: Ун-т. кн. 2014. С. 44.

55. Поляризационное тормозное излучение релятивистских электронов в текстурированных поликристаллах / В. И. Алексеев, А. Н. Елисеев, Э. Ф. Иррибарра и др. // Тез. докл. XLV междунар. Тулинов. конф. по физике взаимодействия заряжен. частиц с кристаллами. М.: Ун-т. кн. 2015. С. 42.

56. Диагностика поликристаллов на основе поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов / В. И. Алексеев, Э. Ф. Иррибарра, А. С. Кубанкин и др. // Тез. докл. XLII междунар. Тулинов. конф. по физике взаимодействия заряжен. частиц с кристаллами. М.: Ун-т. кн. 2012. С. 44.

57. Обнаружение эффекта усиления параметрического рентгеновского излучения в режиме скользящего падения релятивистских электронов на поверхность кристалла / А. Н. Елисеев, В. И. Сергиенко, Г. Г. Субботин и др. // Тез. докл. XXXIX междунар. Тулинов. конф. по физике взаимодействия заряжен. частиц с кристаллами. М.: Ун-т. кн. 2009. С. 60.

58. Нажмудинов Р. М., Кищин И. А. Поляризационное тормозное излучение релятивистских электронов в поликристаллах // 10-я курчатов. молодеж. науч. школа. Сб. аннот. М. 2012. С. 238.

59. Diagnostics of polycrystals using polarization bremsstrahlung from relativistic electrons in backscattering geometry / V. I. Alexeev, A. N. Eliseyev, I. Ph. Irribarra

et al. // 6th Intern. Conf. Charged & Neutral Particles Channeling Phenomena "Channeling 2014". Capri. 2014. P. 46.

60. Parametric X-ray radiation from relativistic electrons interacting with a textured polycrystals / V. Alexeev, A. Eliseev, E. Irribarra et al. // XI Intern. Symp. Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures "RREPS-15". Saint Petersburg. 2015. P. 70.

61. First observation of parametric X-ray radiation enhancement for grazing incident electrons / A. N. Eliseev, V. A. Khablo, A. S. Kubankin et al. // VIII Intern. Symp. Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures "RREPS-09". Zvenigorod. 2009. P. 128.

62. Diagnostics of nanodispersive polycrystals using polarization bremsstrahlung from relativistic electrons / A. S. Kubankin, V. I. Alexeev, A. N. Eliseev et al. // X Intern. Symp. Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures "RREPS-13". Lake Sevan. 2013. P. 122.

63. Обнаружение эффекта усиления параметрического излучения в условиях скользящего падения релятивистских электронов на поверхность кристалла / А. Н. Елисеев, А. С. Кубанкин, Р. М. Нажмудинов и др. // Письма в журн. эксперимент. и теорет. физики. 2009. Т. 90. № 6. С. 483-485.

64. Diagnostics of nanodisperse polycrystals based on the polarization bremsstrahlung of relativistic electrons / V. I. Alekseev, A. N. Eliseev, E. F. Irribarra et al. // J. of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron a. Neutron Techniques. 2014. Vol. 8. Nr. 2. P. 347-350.

65. Measuring coherent peaks of polarization bremsstrahlung from relativistic electrons in polycrystalline targets in backscattering geometry / V. I. Alekseev, K. A. Vokhmyanina, A. N. Eliseev et al. // Techn. Phys. Letters. 2012. Vol. 38. Nr. 3. P. 294-296.

66. First observation of parametric X-ray radiation enhancement for grazing incident electrons / A. N. Eliseev, V. A. Khablo, A. S. Kubankin et al. // J. of Phys: Conf. Ser. 2010. Vol. 236. 012018. 6 p.

67. Тер-Микаелян М. Л. Влияние среды на электромагнитные процессы при высоких энергиях. Ереван: Изд-во АН Арм.ССР. 1969. 459 с.

68. Ter-Mikayelyan M. L. Present situation of diffracted x-ray radiation and resonance (coherent) transition radiation induced by high energy charged particles in frequencies region exiding atomic one // ARXIV.ORG: E-print archives. arXiv:hep-ex/0003015. 2000. 31 p. (01.07.2015).

69. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок: Пер. с английского. М.: Мир. 1989. 344 с.

70. Sternheimer R. M., Seltzer S. M., Berger M. J. Density effect for the ionization loss of charged particles in various substances // Phys. Rev. B. 1982. Vol. 26. Nr. 11. P. 6067-6076.

71. Бородкина М. М., Спектор Э. Н. Рентгенографический анализ текстуры металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1981. 271 с.

72. Немец О. Ф., Гофман Ю. В. Справочник по ядерной физике. Киев: Наукова думка. 1975. 415 с.

73. Ахиезер А. И., Шульга Н. Ф. Влияние многократного рассеяния на излучение релятивистских частиц в аморфных и кристаллических средах // Успехи физ. наук. 1987. Т. 151. Вып. 3. С. 385-423.

74. Henke B. L., Gullikson E. M., Davis J. C. X-ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E=50-30000 eV, Z=1-92 // Atomic Data a. Nuclear Data Tab. 1993. Vol. 54. Nr. 2. P. 181-342.

75. Методы исследования текстур в материалах: учеб.-методическое пособие / М. Л. Лобанов, А. С. Юровских, Н. И. Кардонина и др. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та. 2014. 115 с.

76. Кубанкин А. С. Новые возможности энергодисперсионной рентгенодиагностики атомной структуры вещества на основе пучков быстрых электронов: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07. Белгород. 2014. 221 с.

77. Субботин Г. Г., Серов А. В. Квазинакопительный режим работы синхротрона «Пахра» // Препринт ФИАН. 2007. № 19. 18 с.

78. Система диагностики выведенного электронного пучка на ускорителе «Пахра» / В. И. Алексеев, В. А. Карпов, А. А. Ким и др. // Препринт ФИАН. 2000. № 13. 12 с.

79. X-123SDD complete X-ray spectrometer with silicon drift detector (SDD) // AMPTEK.COM: Official site Amptek. URL: http://www.amptek.com/products/x-123sdd-complete-x-ray-spectrometer-with-silicon-drift-detector-sdd/ (03.08.2015).

80. XR-100SDD silicon drift detector (SDD) // AMPTEK.COM: Official site Amptek. URL: http://www.amptek.com/products/xr-100sdd-silicon-drift-detector/ (03.08.2015).

81. XR-100CR Si-PIN X-ray detector // AMPTEK.COM: Official site Amptek. URL: http://www.amptek.com/products/xr-100cr-si-pin-x-ray-detector/ (03.08.2015).

82. Sioshansi P., Lodhi A. S. Escape peak losses in Si(Li) detectors // X-ray Spectrometry. 1979. Vol. 8. Nr. 2. P. 65-67.

83. Krause M. O., Oliver J. H. Natural width of atomic K and L levels, Ka X-ray lines and several KLL Auger lines // J. of Phys. a. Chem. Ref. Data. 1979. Vol. 8. Nr. 2. P. 329-338.

84. Dollase W. A. Correction of Intensities for Preferred Orientation in Powder Diffractometry: Application of the March Model // J. of Appl. Crystallography. 1986. Vol. 19. Iss. 4. P. 267-272.

85. Analysis of texture distribution in NdFeB hard magnets by means of X-ray diffraction in Bragg-Brentano geometry / D. Schlafer, T. Walker, N. Mattern et al. // Textures a. Microstructures. 1996. Vol. 26-27. P. 71-81.

86. Anishchenko S. V., Baryshevsky V. G., Gurinovich A. A. Time duration of the parametric X-ray radiation // ARXIV.ORG: E-print archives. arXiv:1106.2079. 2011. 9 p. (01.07.2015).

87. Diffraction of real and virtual photons in a pyrolytic graphite crystal as source of intensive quasimonochromatic X-ray beam / E. A. Bogomazova, B. N. Kalinin, G. A. Naumenko et al. // Nuclear Instruments a. Methods in Phys. Research B. 2003. Vol. 201. P. 276-291.

88. Feranchuk I., Lugovshaya O., Ulyanenkov A. Dynamical diffraction theory for the parametric X-rays and coherent bremsstrahlung // Nuclear Instruments a. Methods in Phys. Research B. 2005. Vol. 234. P. 148-158.

89. Nasonov N., Zhukova P., Hubbell J. H. Anomalous properties of quasi-Cherenkov radiation for Bragg scattering geometry // Nuclear Instruments a. Methods in Phys. Research A. 2006. Vol. 580. Iss. 1. P. 29-32.

90. Nitta H. Dynamical Effect on Parametric X-Ray Radiation // J. of Phys. Soc. of Jap. 2000. Vol. 69. Nr. 10. P. 3462-3465.

91. Dynamical-diffraction effects in parametric radiation / V. P. Voronov, N. V. Kamyshanchenko, N. N. Nasonov et al. // Phys. of Atomic Nuclei. 2000. Vol. 63, Nr. 11. P. 2008-2010.