WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
SYNCHROTRON СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ RADIATION В ИССЛЕДОВАНИИ СВОЙСТВ IN MATERIALS STUDIES ВЕЩЕСТВА V. V. MIKHAILIN..

A short history of the dis‚ „‰‡‚ ‚ covery, development and... ‚‡ the general properties of synchrotron radiation (SR) is pesented. Electron Синхротронное излучение в последнее время стаaccelerators and storage ло важнейшим инструментом исследования свойств rings as SR sources, as вещества. Во всем мире создаются центры по исwell as SR applications in пользованию синхротронного излучения, строятся дорогостоящие источники. В ближайшее время в solid state physics, atoМоскве, в Российском научном центре “Курчатовmic and molecular specский институт” начинает функционировать источtroscopy, biology, mediник синхротронного излучения – накопитель электронов на 2,5 Гэв (и это дополнительно к шести уже cine and materials sciдействующим в России источникам – синхротронам ence, are discussed.

и накопителям в Москве, Новосибирске и Томске).

Синхротронное излучение используется сегодня практически во всех областях современной науки, ‡‡fl fl где изучается взаимодействие электромагнитного fl ‰‚‡ излучения с веществом. В школьном курсе физики „ fl синхротронному излучению не уделено пока достаточного внимания, но основы для понимания этого (). ‚ ‚уникального явления и многих его применений ‚‡. имеются: есть описание циклического ускорителя, ‚ ‡ ‡ - введены элементы теории относительности, понятие электромагнитного излучения, поляризации.

света и т.п.

‚ ‚‰„ Мы начнем с истории открытия и исследования ‡, ‡ синхротронного излучения (СИ), в которой российские физики сыграли не последнюю роль. Познакоfl, мимся с физикой явления, устройством источников ‚ ·„ ‰, СИ и некоторыми применениями в физике твердого ‚ ‡‡‚‰.

тела, в атомной и молекулярной спектроскопии, в биологии и медицине. История СИ, которое вначале воспринималось как препятствие для ускорения частиц (то есть отрицательное явление) и стало одним из важнейших инструментов исследования материи, весьма поучительна.

Синхротронное излучение – это электромагнитное излучение ультрарелятивистских электронов (позитронов), ускоряемых в циклических ускорителях. Если посмотреть шире, то это излучение заряженных частиц, движущихся по криволинейным траекториям, так как и это соответствует ускорению. То, что ускоряемый заряд излучает, известно давно, еще с прошлого века. Особый интерес к излучению ускоряемых заряженных частиц появился в сороковых годах нашего века из-за предельной, ‹9, © ‡.., энергии электронов, достижимой в бетатронах. Уже Московского университета (О.Ф. Куликов и друтогда (в 1944 году) Д.Д. Иваненко и И.Я. Померан- гие). С начала 60-х годов началось использование чук опубликовали статью, в которой показали, что СИ в эксперименте, сначала в атомной спектроскопотери на магнитотормозное излучение в цикличе- пии, а вскоре и в физике твердого тела. С 1967 года ском ускорителе пропорциональны четвертой сте- в совместных работах Московского университета и пени энергии, до которой ускорены электроны. Физического института АН СССР (ФИАН) синхПервоначально это явление называлось “светя- ротронное излучение начали применять в спектрощийся электрон”. Но в работе Иваненко и Поме- скопии твердого тела и для исследования высокоранчука не говорилось, в какой области спектра из- энергетического возбуждения люминесценции. На лучает светящийся электрон. Потери на излучение синхротроне ФИАН на 680 МэВ С-60 был построен безусловно стали учитываться при конструирова- первый в России вакуумный ультрафиолетовый кании циклических ускорителей. Поиск излучения нал СИ.

“светящегося электрона” начали экспериментаторы. Американский физик Д. Блюитт попытался об наружить СИ на синхротроне на 80 МэВ фирмы Вспомним, как устроен циклический ускори“Дженерал Электрик”, однако неправильно оценил тель электронов (рис. 1). Из инжектора 1 (это, как спектральное распределение и искал излучение в правило, линейный ускоритель или микротрон) СВЧ-области. На том же синхротроне несколько предварительно ускоренные электроны попадают позже (в 1947 году) аспирант Х. Поллака Ф. Хабер на круговую орбиту ускорителя. Захват электронов при проведении профилактических работ на камере в режим синхротронного ускорения возможен при ускорителя (в одном месте было снято металлизидостижении релятивистких скоростей частиц, ибо рованное непрозрачное покрытие стеклянной касинхротронная равновесная орбита, по которой меры ускорителя) увидел яркий голубоватый свет с электрон движется с постоянной средней угловой орбиты электронов. Поскольку экспериментально частотой и медленно меняющимся радиусом, требуизлучение впервые было обнаружено на синхротроет уже в начальном периоде, чтобы энергия частицы не, его и назвали синхротронным.

была релятивистской (Е > m0c2), поэтому синхроСейчас кажется странным, почему излучение тронному режиму ускорения предшествует предвапытались обнаружить в СВЧ-области, так как даже рительный этап ускорения – либо бетатронный, учет хотя бы эффекта Доплера дает смещение маклибо специального инжектора типа линейного уссимума излучения в область высоких частот пропоркорителя, или микротрона. На круговой орбите ционально ( – фактор Лоренца), а острая направэлектроны 5 удерживаются магнитным полем поленность излучения (“прожекторный эффект” – воротных магнитов 4. В индукционном ускорителе релятивистский эффект из-за большой скорости (бетатроне) и несущее, и ускоряющее поля – магдвижения электрона) добавляет еще порядок. Итак, нитные. Мы уже знаем, что предел энергии, до коискали не там, а обнаружили, где надо. Теоретики торой ускоряются электроны в бетатроне, около довольно скоро показали (эксперимент подска300 МэВ. В синхротроне магнитное поле в поворотзал!), что максимум излучения смещен в область ных магнитах увеличивается по мере увеличения высоких частот (по отношению к частоте вращения энергии электронов, чтобы удержать электроны на электрона на орбите = c/2 R, где с – скорость света, R – радиус орбиты электрона) и даже для такой слабенькой еще машины (всего-то 80 МэВ!) уже уходит в область вакуумного ультрафиолета, а для современных синхротронов и накопителей – в рентгеновскую область и даже в область -излучения. В 1948 году появилась работа А.А. Соколова и Д.Д. Иваненко по спектральному и угловому распределению СИ (а годом позже – в 1949 году – независимо аналогичная работа Ю. Швингера).



Именно в этих работах приведена формула для расчета спектральных и угловых характеристик СИ, которая и сейчас используется.

Следующим этапом было экспериментальное исследование свойств СИ и проверка теории. В году была опубликована работа П. Гартмана и Д. Томбуляна по экспериментальному исследованию спектральных и угловых характеристик ультраРис. 1. Схема циклического ускорителя: 1 – инфиолетового излучения Корнельского синхротрона жектор, 2 – вакуумная камера, 3 – ускоряющие (США) на 300 МэВ. В эти же годы поляризационпромежутки, 4 – квадранты магнита, 5 – сгусток ные характеристики СИ активно исследуют физики электронов.

.. равновесной синхротронной орбите (синхронно с а в ускорением – отсюда и название синхротрон).

Обычно круговая камера 2 синхротрона разделяет ся на 4 части (квадранты 4), между которыми образуются прямолинейные промежутки 3. В один из них устанавливается резонатор с меняющимся электрическим полем, в котором электроны “подталкиваются” (ускоряются). Преимущества синхротрона существенны, так как магниты, в отличие от бетатрона, установлены только на криволинейных участках траектории, а потери энергии на СИ компенсируются. Предел достижимой энергии определяется б теперь линейными размерами ускорителя, магнитными полями и потерями на СИ. Итак, в синхротроне ускоренный электрон движется с ультрарелятивистской скоростью, то есть со скоростью, -------~ mc, близкой к скорости света c. E Рис. 2. Угловое распределение излучения ускоряемого электрона: а – нерелятивистский элекИзвестно, что для нерелятивистских электронов трон, б – релятивистский продольно ускоряемый излучение имеет угловое распределение, характерэлектрон, в – релятивистский поперечно ускоряеное для диполя Герца (рис. 2). Для релятивистских мый электрон.

частиц это распределение сдвигается в направлении движения из-за эффекта Доплера (источник двигде = c/(2 R) – частота обращения электрона по жется со скоростью с). При этом при продоль- орбите. Эффект Доплера приводит к тому, что макном ускорении (линейный ускоритель) векторы симум мощности излучения не приходится на часскорости и ускорения совпадают и распределение тоту обращения, а смещен в область более высосимметрично относительно направления. При ких частот, соответствующих поперечном ускорении распределение искажено в направлении движения, которое перпендикулярно 1 ускорению. Деформированный конус излучения t = (1 – cos ) ---- = ----------3, имеет здесь средний угол раскрытия m0c2/E (рис. 3). При таком узком угловом распределении где t – время, в течение которого наблюдатель вивнешний наблюдатель видит электроны не на всем дит импульс СИ электрона, а – угол наблюдения, круговом пути, а на коротком участке орбиты. Он = /c. Отсюда естественно следует, что максимум регистрирует не только частоту обращения электроизлучения смещен в область частот нов, но, вследствие ультрарелятивистских скоростей, также и высшие ее гармоники вплоть до гар -----, c моник, лежащих в высокоэнергетической области t спектра (для синхротрона ДЭЗИ, например, при а критическая длина волны излучения 0,1 ). Из-за синхротронных и бетатронных колебаний электронов на орбите происходит перекрытие -------------- = 5,59---- = 4 R 1 R.

отдельных высоких гармоник в континуум.

c EВыделим особо свойства СИ, наиболее важные С учетом того, что = 0,42, оценка для длины max c для практических применений. Как мы уже знаем, волны максимума излучения = 2,54R/E3, где R СИ ультрарелятивистского электрона сосредоточе- max но в плоскости орбиты электрона и благодаря реля- в метрах, а Е в гигаэлектронвольтах.

тивистским эффектам является остронаправленДаже такое элементарное рассмотрение дает две ным. В каждый момент излучение заключено в важные для практики характеристики СИ – угол конусе с углом раствора 1/ и направлено по касараствора излучения и длину волны максимума излутельной к траектории в точке излучения ( – релячения. Кривая спектрального распределения СИ по тивистский фактор, = E/(m0c2)). Благодаря острой виду напоминает планковское распределение для направленности излучение приходит в точку наабсолютно черного тела. При таком условном сопоблюдения в виде короткого импульса ставлении синхротрон ФИАН на 680 МэВ подобен черному телу с температурой около 106 K, а синхротрон ДЭЗИ – с температурой 107 К. Другими назем = ---------, ными источниками, обладающими таким спектром,, ‹9, показаны теоретические кривые для углового расE пределения излучения электронов и экспериментальные данные, полученные в результате суммирования излучения электронов за все время цикла ускорения. Эксперимент в согласии с теорией показал, что компонента линейной поляризации с электрическим вектором, перпендикулярным плоскоE е– сти орбиты ( -компонента), имеет характерное угловое распределение с минимумом в плоскости орбиты. Компонента с электрическим вектором, параллельным плоскости орбиты ( -компонента), имеет максимум в плоскости орбиты. Непосредственно в плоскости орбиты излучение почти полностью линейно поляризовано (эксперимент показал, что провал в угловом распределении компоненты все же не до нуля). Вырезая излучение в плоскости орбиты, можно получить линейную поляризацию, достигающую 98%. Усредненная по всем углам и длинам волн степень линейной поляризации все еще очень высока и достигает 75%. В выражении для линейной поляризации I – I P = --------------I + I I – интенсивность компоненты с электрическим вектором в плоскости орбиты, I – с вектором, перпендикулярным плоскости орбиты.





Iотн 1, 2 ~mc-------E D Рис. 3. Угловое распределение излучения релятивистского электрона, движущегося по круговой орбите: 1 – орбита, 2 – направление излучения, D – точка наблюдения.

0,могут быть высокотемпературная плазма или ядерный взрыв – существенно менее удобный источник для целей спектроскопии.

Одними из первых (в 1956 году) исследовали спектральное распределение интенсивности СИ Ю.М. Адо и П.А. Черенков. Исследования были проведены в видимой области спектра при энергиях электронов 150 – 250 МэВ; результаты хорошо согласуются с теоретическими данными. Пионерами в исследовании поляризационно-угловых характеристик СИ были О.Ф. Куликов с соавторами. На - 30 - 20 - 10 10 20 синхротроне ФИАН на 680 МэВ ими были получе0° ны фотографии углового распределения интенсивности СИ в компонентах линейной поляризации Рис. 4. Сравнение теоретических данных (кривые) излучения для энергии электронов 250 МэВ. Сравс экспериментальными (точки) по зависимости от нение экспериментальных данных, полученных в угла интенсивности - и -компоненты линейной этих работах, с теорией представлено на рис. 4, где поляризации СИ (по данным О.Ф. Куликова).

.. R О.Ф. Куликовым экспериментально проверено и другое предсказание теоретиков о том, что между Использование СИ для спектроскопии начиколебаниями векторов компонент существует сдвиг нается уже с работ П. Гартмана и Д. Томбуляна по фазе, который равен - /2 для излучения элек(1958 год) по применению СИ в атомной спектротронов выше плоскости орбиты (то есть излучение скопии. Более систематическое использование СИ должно быть циркулярно поляризовано с левым начинается с работ Р. Хэнзела и К. Кунца (1964 год) вращением) и равен /2 для излучения ниже плосна немецком синхротроне ДЭЗИ. На этом синхрокости орбиты (то есть излучение поляризовано с троне на 6 ГэВ был создан канал СИ, и излучение правым вращением). Таким образом, мы имеем ле- начало использоваться в широкой области спектра вую циркулярную поляризацию над плоскостью ор- от ультрафиолетовой до рентгеновской в основном биты и правую – под плоскостью (или наоборот – в для спектроскопии твердого тела, атомной и молекулярной спектроскопии, метрологии. Со времезависимости от направления вращения электрона).

нем ДЭЗИ превратился в крупнейший в Европе Времення структура СИ связана с типом мацентр СИ практически с универсальной программой шины. На синхротроне цикл ускорения, как пра- исследований (физика, химия, биология, микроливило, повторяется с частотой 50 Гц, и с такой же тография и др.). Новые каналы синхротронного изчастотой повторяются пакеты импульсов СИ, лучения созданы также на накопителе ДОРИС, инпромодулированные внутри пакетов с частотой об- жектором для которого служит синхротрон ДЭЗИ.

Однако все эти работы ведутся наряду с основными ращения электронов на орбите = c/2 R. Длина работами центра ДЭЗИ по физике высоких энерсгустка электронов на орбите определяет длительгий, которые определяют режим работы машины.

ность этого минимального импульса, которая доТакой стиль работы вообще характерен для источстигает сотен пикосекунд. Если на орбите нескольников СИ первого поколения, то есть машин, предко сгустков, то частота повторения будет кратной назначенных для физики высоких энергий, а не для частоте обращения ' = N, где N – число сгустков.

получения СИ. Среди ряда практических применеВ накопителях электроны живут на орбите часами.

ний СИ наиболее интересным оказалось его исЗдесь важно учесть длину сгустка, достигающую непользование в экспериментах по спектроскопии скольких сантиметров (длительность до 100 пс), твердого тела. Исследования подобного ряда в начисло сгустков на орбите и частоту обращения элешей стране начались с 1967 года группой синхроктрона. Постепенно интенсивность импульсов СИ тронного излучения МГУ на синхротроне С-снижается из-за потери частиц с орбиты.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.