Фотонное излучение из вегглера

dadmin Газета, Статьи из газеты №28 (2018)

Просвещение внедрять с умеренностью, но по-возможности избе-

гая кровопролития

М.Е. Салтыков-Щедрин

В настоящее время не существует единого мнения физиков о природе света. М. Планк в 1900 г предложил гипотезу, что излучение и поглощение света веществом происходит не непрерывно, а конечными порциями или квантами. В дальнейшем такие частицы получили название квантов света или фотонов. Это не было простым возвратом к ньютоновской корпускулярной теории света. Фотоны не совсем обычные частицы света, пока их роль и механика в образовании светового излучения не совсем ясна. Фотоны обладают энергией и импульсом. Импульс проявляется в давлении света. При взаимодействии с веществом фотоны могут испускаться, поглощаться и рассеиваться. Сохранение числа фотонов не имеет места, но должны соблюдаться законы энергии и импульса.

Также при взаимодействии с веществом фотоны проявляют свойства частиц. Энергия и импульс фотонов в среде слагается из энергии и импульса электромагнитного поля среды. Фотон обладает инертной массой, но если во время движения внутреннее состояние его не меняется, то фотон находится в том же энергетическом состоянии. В случае устойчивой частицы это будет всегда, когда энергии взаимодействия ее с определенной средой недостаточно, чтобы перевести частицу в более высокое энергетическое состояние. Так будет обстоять дело при движении электронов, протонов и другой, даже неустойчивой элементарной частицы, если она не распадется или не испытает какого-либо преобразования. Для излучения света необходимо, чтобы скорость частицы превосходила фазовую скорость в среде.

Энергия излучения черпается за счет кинетической энергии частицы, так как при испускании света внутреннее состояние частицы остается без изменения. По этой причине движение частицы замедляется. Однако ускорение само по себе на этот механизм не влияет. Считается, что испускание света возникает при равномерном движении заряженной частицы в среде. Рассматриваемое явление было открыто в 1934 г, в экспериментальном исследовании Черенкова под руководством С. И. Вавилова. Его называют излучением Вавилова-Черенкова. Классическая теория явления была создана И. Е. Тампом и И. М. Франком, а квантовая В.А. Гинзбургом. Если при движении внутреннее состояние частицы изменяется, например движущийся атом или ион, то в этом случае испускание света происходит за счет внутренней и кинетической энергии атома или иона. Когда электрон движется по окружности в магнитном поле, он может создавать излучение, которое зависит от энергии электронов и величины магнитного поля. Такое излучение называется синхротронным (СИ), так как связано с источником – кольцевым ускорителем электронов (синхротроном).

Круговое движение приводит к тому, что электрон испытывает центростремительное ускорение, за счет чего и возникает СИ, которое можно получать в инфракрасном и видимом диапазонах, а также и в рентгеновском. Электроны не распадаются и не испытывают какого-либо упругого превращения. Для испускания света необходимо, чтобы скорость частицы превосходила фазовую скорость частицы в среде. Энергия излучения черпается за счет кинетической энергии частицы, так как при испускании света внутреннее состояние частицы остается без изменения. По этой же причине движение частицы замедляется, однако ускорение само по себе на механизм явления не влияет. Излучение в этих источниках обычно генерируется отклоняющими магнитами, и поскольку оно направлено по касательной к траектории частиц, то его пучок имеет веерообразную форму с большим углом расслоения.

В дальнейшем для совершенствования источников синхротронного излучения были разработаны накопительные кольца с длинными прямолинейными промежутками и встроенными магнитными структурами, чередующейся полярностью, генерирующие синхротронное излучение, которое обладает меньшими размерами пучка, более высокой интенсивностью и намного более высокой спектральной яркостью. Последний показатель является наиболее важным параметром, так как определяет величину полезного потока фотонов.

Синхротронное излучение может генерироваться заряженными частицами не только в поворотных магнитах циклических ускорителей, но и на прямолинейных участках и даже в линейных ускорителях, если встроить в них специальные магниты, которые заставляют частицы на ограниченном промежутке искривлять траекторию движения. Такие магниты называемые магнитными вставными устройствами применяются для создания дополнительных точек в генерации и отбора фотонного излучения. Вставные устройства, известные как вигглеры, ондуляторы и шифтеры спектра изготавливаются в виде сборки последовательности N штук, сравнительно небольших дипольных магнитов с чередующейся полярностью и нулевым интегральным полем.

Вигглер представляет собой магнит, создающий сильное поперечное (как правило вертикальное) знакопеременное магнитное поле.Его можно представить себе как последовательных коротких дипольных магнитов, полярность каждого последующего из которых противоположно предыдущему. Вигглер устанавливается в прямолинейный про-межуток электронного синхротрона и пучок частиц проходит в нем по извилистой траектории, близкой к синусоиде, излучая фотоны в узкий конус вдоль оси пучка. Различают пять типов взаимодействия фотонного излучения с веществом: рассеяние фотонов на ядрах (упругое и неупругое) фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние, образование пар и атомное или молекулярное возбуждение.

При воздействии 1 P фотонного излучения на 1 см3 воздуха поглощенная энергия составляет 0 87 рад. Форма выделения этой энергии может быть тепловым или фотонным излучением или комбинацией этих двух типов. Следовательно, для того чтобы получить эмиссию света необходимо предварительно привести частицу в более высокое энергетическое состояние (возбужденное состояние), так как излучение может произойти при переходе в исходное или другое состояние с более низкой энергией. На расстояниях сравнимых с радиусом атома Томаса-Ферми электростатические потенциалы ядер способны воздействовать на движущиеся заряженные частицы с силой в тысячи раз большей, чем самые сильные из существующих сегодня электромагнитов.

Поэтому вещество в конденсированном состоянии для элементарных частиц можно рассматривать как естественный вигглер с сильнейшим отклоняющим полем (эквивалентным магнитному полю электромагнита с индукцией 1000 Тл). Это свойство веществ в последнее время все шире применяется на практике для генерирования мощного электромагнитного излучения в ускорителях электронов и позитронов. Исходя из вышеуказанных фактов становится ясным, что получать фотонное излучение (видимый свет) можно из быстродвижущихся заряженных частиц по сложной траектории, генерируемых синхротронным излучением.

КОЛОСОВСКИЙ Э.Д.

Дорогие читатели, поддержите газету! Наша газета в Ваших руках, всё, что Вам нужно сделать, это нажать на кнопку Вконтакте, которая находится выше этой надписи. Вы можете сделать репосты любого числа наших статей. Помогите газете и мы будем писать еще больше, интереснее и активнее!