1626435893-691da8e1223766775fc277661dcb4565 (844331), страница 67
Текст из файла (страница 67)
В любой части тормозного спектра электрон теряет одинаковую энергию на излучение. Эта энергия может быть потеряна при испускании или одного жесткого кванта Ьч, уносящего всю энергию йТ,=Ы, теряемую на данном пути сзх, или нескольких мягких квантов с той же суммарной энергией. На пути х = ха электрон, имеющий Т, ) Т, в среднем испускает один квант с энергией порядка Т,. На рис. 155 схематически изображен элементарный акт испускания быстрым электроном жесткого тормозного кванта, который затем образует (е+ — е )-пару. Первичный электрон из-за больпюй потери энергии на излучение кванта резко меняет свою кривизну в магнитном поле.
Возможность резкого сброса энергии из-за радиационных потерь затрудняет определение импульса электрона методом Г измерения кривизны его следа в магнитном поле. Этим методом можно пользоваться только на участках пробега х, малых по сравнению с ради- Рис. 155 з 2б.
Синхротроллое излучение 333 ационной длиной хо (да и то лишь для грубых оценок). По той же причине для быстрого электрона теряет смысл понятие ионизационного пробега: истинные пробеги релятивистских электронов гораздо меньше ионизацио нного. Радиационное торможение высокоэнергетических электронов — одна из причин возникновения электрон-фотонных ливней в космических лучах (см. З 30, п. 3). $ 26. Синхротронное излучение Если электрон движется по кривой траектории, т.
е. с ускорением, то он должен излучать. Действительно, опыт показывает, что электроны, движущиеся по круговой орбите, испускают электромагнитное излучение в очень широком диапазоне частот (от радиодиа паза на до мягкого 7-излучения). Впервые это излучение было обнаружено в астрономических наблюдениях, а затем на кольцевом ускорителе электронов †синхротро, где оно было детально изучено. В связи с этим оно и получило название синхротронного излучения. Синхротронное излучение релятивистских электронов испускается в узком конусе с половинным углом раствора Е= гсз~т,=)17, (26.1) где т = 1/ /! — рз.
Ось конуса направлена по касательной к электронному пучку. Сказанное справедливо для любой точки электронной орбиты. Поэтому синхротронное излучение сосредоточено в тонком кольце, расположенном в плоскости орбиты. Излучение имеет непрерывный спектр с максимумом при частоте то — — 4,6 ' 10- з НТ з (26.2) (Н вЂ” в Тл, Т, — в эВ), которая при высокой энергии электронов существенно выше частоты вращения электронов в синхротроне (10т Гц). Для Н=1 Тл и Т,= 100 МэВ синхротронное излучение испускается в конусе с 0=1Т и имеет то=4,6 1О'е Гц, т. е. соответствует красной области видимого спектра; при Т,=20 Гэ — это жесткое рентгеновское излучение, направленное вперед с углом раствора Ош5яе. ч Для электронов с В н 1 синхротронное излучение сосредоточено в обаеме тора, вращающегося вместе с электроном. Ось тора направлена по радиусу орбитм.
Частота излучения совпадает с частотой вращения электронов на орбите синхротрона. С ростом б тор постепенно трансформируется в узкий конус, направленный вперед,' а максимум излучения перемешается на все более высокие гармоники. Порядок наивысшей гармоники, на которой излучается заметная доля энергии, равен у'. В связи с тесным соседством гармоник и конечной шириной линий спектр из линейчатого трансформируется в непрерывный. 334 Глава зе'.
Взаимодействие частно и излучения с веществом Синхротронное излучение поляризовано, причем напряженность Е всегда параллельна плоскости орбиты электрона. Степень поляризации максимальна (около 100а/в) для излучения в плоскости орбиты, имеюшего оптимальную (по интенсивности) частоту. Потери энергии на синхротронное излучение растут с ростом его энергии пропорционально ув.
Кроме синхротронов для получения синхротронного излучения можно использовать электронные накопительные кольца, причем последний способ даже предпочтительнее, так как в этом случае синхротронное излучение характеризуется постоянством спектра, геометрии и интенсивности. Полезно также отметить, что синхротронное излучение, испускаемое накопительными кольцами, имеет импульсный характер (из-за того что в кольце циркулируют сгустки электронов длиной в несколько сантиметров).
Как уже отмечалось, первые эксперименты с синхротронным излучением были выполнены на ускорителях электронов. В 1968 г. в Висконсинском университете (США) был запущен синхротрон-накопитель «Танталус-1», специально переоборудованный под источник синхротронного излучения с энергией электронов 240 МэВ. Несколько аналогичных машин (но на ббльшие энергию и интенсивность) будут построены в ближайшее время в СССР и за рубежом, В настоящее время в качестве источников синхротронного излучения большой энергии и интенсивности используются накопительные кольца ДЕЗИ (на базе электронного синхротрона в Гамбурге) и СПИР (на базе линейного ускорителя в Станфорде) в.
Синхротронное излучение имеет непрерывный спектр. Поэтому для практического использования в экспериментах применяются специальные монохроматоры, в состав которых входят зеркала и дифракционные решетки (из монокристалла кварца или кремния для рентгеновского диапазона). Кристаллические монохроматоры позволяют выделять из непрерывного спектра чрезвычайно узкие линии любой частоты с точностью порядка ЬЕ1Е=10 в, при этом остающаяся после монохроматизации интенсивность все еше в 1Оз — 1Оз раз превосходит интенсивность самых мощных рентгеновских трубок. Большая интенсивность, широкий диапазон энергий, возможность монохроматнзации, поляризация и импульсный характер синхротронного излучения делают его весьма ценным инструментом для исследования строения вещества и решения важных практических задач.
Перечислим несколько направлений, в которых ведутся эти работы: * Подробнее об этих установках см. 1 125. 27. Излучеггие Вавилова — Черенкова 335 1) изучение поглощения электромагнитного излучения газами, в том числе таких тонких эффектов, как исследование одновременного возбуждения в атоме двух электронов и интерференционные эффекты в этом процессе; исследование спектров поглощения молекул и продуктов их расщепления в целях получения информации о химии молекул (энергия внутриатомных связей, времена жизни возбужденных состояний, скорость реакции и др.); 2) исследование флуоресценции в целях определения времени жизни и способа распада возбужденного состояния; 3) спектроскопия твердого тела в целях изучения его электронной структуры, включая спектр поглощения, соответствующий электронам внутренних оболочек (который чувствителен к изменению конфигурации окружающих атомов).
Для получения информации регистрируются фотоны, отраженные образцом (или прошедшие через него), и электроны, испущенные в результате фотоэлектронной эмиссии; 4) в астрономии и радиоастрономии — получение данных о концентрации и спектре электронов из измерений нетеплового радио- и оптического излучений (при известном из других источников магнитном поле); получение данных о структуре магнитного поля из поляризации зарегистрированного излучения; 5) в ускорительной технике †наблюден свечения пучка электронов при помощи специального стробоскопического устройства в целях изучения сечения пучка для настройки ускорителя; б) в микроэлектронике †д изготовления методом литографии микросхем с размерами элементов примерно 0,1 мкм.
(При использовании жесткого излучения ДЕЗИ получена разрешаюшая способность около 0,01 мкм.) В этой области длин волн оптические методы непригодны, а рентгеновские не обладают достаточной интенсивностью; 7) в биологии — для получения объемной структуры образцов в. В 27. Излучение Вавилова — Черенкова В !934 г. аспирант академика С. И. Вавилова (вноследствии академик) П. А. Черенков, исследуя люминесценцию растворов ураниловых солей под действием Т-излучения радия, обнаружил новое свечение, которое нельзя было объяснить обычным механизмом возбуждения флуоресценции. в Полробнее об использовании синхротронного излучения сы.
Кулиггаиов Г. Н., Скрипении А. Н. В Успехи физ. наук. 1977. Т. 122. Вып. 3. С. 369 — 418. Раув Э., УинверДж.77Успехи физ, наук, 1978. Т. 126. Вып. 2. С. 269 286. 336 Глава 1И Взаамодеасамие часгниа и излучения с венмснмом Известно, что флуоресценция возникает в результате переходов атомов или молекул между возбужденными состояниями. Длительность флуоресцентного высвечивания т> 1О 'о с, причем на вероятность перехода можно воздействовать, например, добавлением гасящих веществ или, наоборот, хорошей очисткой среды, изменением ее температуры и др.
Однако ни одним из этих способов погасить обнаруженное свечение не удавалось. Дальнейшее изучение нового свечения, которое впоследствии назвали излучбнием Вавилова †Черенко, показало следующее. 1. Наблюдается сильное изменение поляризации свечения при наложении магнитного поля. Это свидетельствует о том, что свечение вызывается не у-квантами, а заряженными частицами. Такими частицами в опыте Черенкова могли быть электроны, возникающие при взаимодействии Т-квантов со средой в результате фотоэффекта и эффекта Комптона 1см. 5 30, п.
1, 2). 2. Интенсивность излучения не зависит от заряда среды У, поэтому оно не может быть радиационного происхождения. 3. Излучение направлено под определенным углом по отношению к движению заряженной частицы. Излучение Вавилова — Черенкова было объяснено в 1937 г. И. Е.
Таммом и И. М. Франком на основе классической электродинамики'. Они обратили внимание на то, что утверждение классической электродинамики о невозможности потерь энергии на излучение для заряженной частицы, движущейся равномерно и прямолинейно в вакууме, теряет силу при переходе от вакуума к среде с показателем преломления п>1. Заключение И. Е. Тамма и И. М. Франка можно пояснить при помощи следующего рассуждения, основанного на использовании законов сохранения энергии и импульса. Предположим, что заряженная частица, движущаяся равномерно и прямолинейно, может терять свою энергию и импульс на излучение. Тогда должно выполняться равенство (йЕ1 йР)„.„=(йЕ1 йР).,„. (27.1) Легко видеть, что выполнение этого равенства невозможно для вакуума, но возможно для среды с л>1 в*.
* В 1958 г. П. А. Черенкову, И. Е. Тамму и И. М. Франку за открытие и объяснение излучения Вавилова — Черенкова была присуяогена Нобелевская премия (С. И. Вавилов скончался в 1951 г.). вв В настоящем параграфе прелполагается, что л=сопзг ср. с 128. у' 27. Излучение Вавилова — Черенкова 337 Действительно, с одной стороны, полная энергия Е частицы с массой из~О, свободно движущейся в вакууме с импульсом р (скоростью о), (27.2) и, следовательно, (йЕ/йр)„„,=рс /Е=()с=о, (27.3) с другой стороны, для электромагнитного излучения в вакууме Е„„=рс, (27.4) т. е. (йЕ/йр)„м=с. (27.5) И так как о<с, то (йЕ/йр) „;"„<(йЕ/йр)„;"„.
(27.6) Таким образом, законы сохранения энергии и импульса запрещают заряженной частице, движущейся равномерно и прямолинейно в вакууме, отдавать свою энергию и импульс в форме электромагнитного излучения*. Однако этот запрет снимается при движении частицы в среде с показателем преломления и > 1. В этом случае скорость света в среде с'= с/и < с, и скорость частицы о может не только достигать скорости света с' в среде, но и превосходить ее: о>с'=с/л.
(27.8) Очевидно, что при о=с' условие (27.1) будет выполняться для электромагнитного излучения, испускаемого строго в направлении движения частицы (0=0'). В случае о>с' условие (27.1) выполняется для такого направления О, вдоль которого о'=с', где о'=осоа0 — проекция скорости частицы о на это направление. Таким образом, в среде с и> 1 законы сохранения разрешают заряженной частице, движущейся равномерно и прямолинейно со скоростью о>с'=с/л, терять такие доли своей энергии йЕ и импульса йр, которые может унести электромагнитное излучение, распространяющееся в этой среде под углом 0 = агссоа(1/л (3) (27.9) ь Электромагнитное излучение немеет принять весь импульс, отдаваемый частицей. 338 Глава Л'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
