Зображення обкладинки

Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)

Изложены некоторые физические результаты исследований возбуждения излучения заряженными частицами в средах с периодической неоднородностью и в периодических потенциалах. Показано, что основные результаты, полученные в основополагающей работе Я.Б. Файнберга и Н.А. Хижняка, в дальнейшем были переотк...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Вопросы атомной науки и техники
Дата:2004
Автор: Буц, В.А.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2004
Теми:
Параметрическое излучение
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80443
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи) / В.А. Буц // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 70-75. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859631967417401344
author Буц, В.А.
author_facet Буц, В.А.
citation_txt Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи) / В.А. Буц // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 70-75. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Изложены некоторые физические результаты исследований возбуждения излучения заряженными частицами в средах с периодической неоднородностью и в периодических потенциалах. Показано, что основные результаты, полученные в основополагающей работе Я.Б. Файнберга и Н.А. Хижняка, в дальнейшем были переоткрыты другими авторами. Развитие идей ПЧИ показало, что в средах, которые имеют даже слабую степень периодической неоднородности диэлектрической проницаемости или потенциала, нерелятивистские осцилляторы могут излучать как релятивистские. Они эффективно излучают высокие номера гармоник. В частности, в проведенных экспериментах было возбуждено ультрафиолетовое излучение при воздействии на кристалл интенсивного десятисантиметрового излучения. Эти результаты дают основание надеяться на создание нерелятивистских лазеров на свободных электронах. Викладено деякі фізичні результати досліджень збудження випромінювання зарядженими частками в середовищах з періодичною неоднорідністю та в періодичних потенціалах. Показано, що основні результати, отримані в основній роботі Я.Б. Файнберга та М.А. Хижняка, надалі були перевідкриті іншими авторами. Розвиток ідей ПЧВ показало, що в середовищах, що мають дуже слабкий ступінь періодичної неоднорідності діелектричної проникності чи потенціалу, нерелятивістські осцилятори можуть випромінювати як релятивістські. Вони ефективно випромінюють високі номери гармонік. Зокрема, в проведених експериментах було збуджено ультрафіолетове випромінювання при впливі на кристал інтенсивного десятисантиметрового випромінювання. Ці результати дають підставу сподіватися на створення нерелятивістських лазерів на вільних електронах. Some physical results of researches about charged particles radiation in mediums with a periodic heterogeneity and in periodic potentials are reported. Is shown that the basic results, obtained in basic work of Ya.B. Fainberg and N.A. Khignyak, in further were rediscovered by other authors. The development of ideas Parametric Cherenkov Radiation has shown, that in mediums, which have even a weak degree of a periodic heterogeneity of an permittivity or potential, the nonrelativistic oscillators can radiate as relativistic. They effectively radiate the high numbers of harmonics. In particular, in the carried out experiments the ultra-violet radiation was excited at action on a crystal of intensive ten-centimetric radiation. These results give the reasons to hope for making of nonrelativistic lasers on free electrons.
first_indexed 2025-12-07T13:11:48Z
format Article
fulltext ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ УДК 533.09:537.87 ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ЧЕРЕНКОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (РАЗВИТИЕ ИДЕИ) В.А. Буц ННЦ «Харьковский физико-технический институт» 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, Украина; E-mail: vbuts@kipt.kharkov.ua Изложены некоторые физические результаты исследований возбуждения излучения заряженными части- цами в средах с периодической неоднородностью и в периодических потенциалах. Показано, что основные результаты, полученные в основополагающей работе Я.Б. Файнберга и Н.А. Хижняка, в дальнейшем были переоткрыты другими авторами. Развитие идей ПЧИ показало, что в средах, которые имеют даже слабую степень периодической неоднородности диэлектрической проницаемости или потенциала, нерелятивистские осцилляторы могут излучать как релятивистские. Они эффективно излучают высокие номера гармоник. В частности, в проведенных экспериментах было возбуждено ультрафиолетовое излучение при воздействии на кристалл интенсивного десятисантиметрового излучения. Эти результаты дают основание надеяться на создание нерелятивистских лазеров на свободных электронах. 1. ВВЕДЕНИЕ Элементарный механизм излучения электромаг- нитных волн заряженной частицей, которая движет- ся с постоянной скоростью в слоисто-неоднородном диэлектрике, был впервые обнаружен и изучен в ра- боте Файнберга Я.Б. и Хижняка Н.А. [1]. В ней стро- го получены общие условия излучения и выражения для мощности излучения, которые справедливы как для слабой, так и для сильной неоднородности. Об- наруженное излучение было названо авторами пара- метрическим черенковским излучением (ПЧИ). Ре- зультаты этой работы справедливы для всех длин волн, но особое внимание авторы уделили анализу излучения в оптическом и радиочастотном диапазо- нах. Изучая разные стороны этого излучения, раз- личные авторы дали этому излучению многочислен- ные названия. Оно известно как резонансное пере- ходное излучение, рентгеновское переходное излу- чение, параметрическое рентгеновское излучение и другие. Были вскрыты разнообразные важные осо- бенности этого излучения. В настоящее время ре- зультатам изучения ПЧИ посвящена огромная ли- тература. Ему посвящены обзоры и монографии (см., например, [2-7] и цитируемую там литературу). Ниже мы изложим некоторые наиболее важные результаты, которые можно рассматривать как разви- тие идеи ПЧИ. При этом мы будем основное внима- ние обращать на результаты, полученные в ННЦ «ХФТИ». Важным в развитии понимания ПЧИ и родствен- ных ему процессов является введение понятия вир- туальных волн (В.Л. Гинзбург, В.Н. Цытович [2]). При наличии периодического потенциала таким же полезным является введение понятия виртуальных частиц (смотри раздел 5). В частности, во многих случаях медленные виртуальные волны и быстрые виртуальные частицы позволяют свести процесс из- лучения заряженных частиц в неоднородных средах и в периодических потенциалах к черенковскому механизму излучения. Основной практический результат развития идеи ПЧИ, по нашему мнению, заключается в том, что на их основе были созданы счетчики быстрых частиц и могут быть созданы нерелятивистские лазеры на свободных электронах. При этом в качестве ондуля- торов можно использовать естественные периодиче- ские структуры, такие, например, как решетка иде- ального кристалла. Такая решетка имеет периодиче- ский потенциал, а также периодическую компоненту диэлектрической проницаемости. Периоды этих неоднородностей совпадают. Излучение, при этом, может иметь длину волны, которая близка к периоду кристаллической решетки. Особый интерес представ- ляет излучение осцилляторов в таких периодических структурах. Важно также, что плотность осциллято- ров ограничена плотностью электронов твердого те- ла. Поэтому можно рассчитывать осуществить инду- цированное излучение в рентгеновском диапазоне. 2. ОСНОВНОЙ РЕЗУЛЬТАТ РАБОТЫ [1] Покажем, что полученное в работе [1] условие излучения содержит условия излучения, получен- ные впоследствии Тер-Микаэляном, Гарибяном и Ян Ши [8,9]. Действительно, это условие имеет вид: ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 cos cos cos 1 sin sin 0 2 LD p a p b V p p p a p b p p ω ε ε ε ε  = − ⋅     + + =    , (1) где 2 2 2 1, 2 1, 2 1p k c ωε  = −   , 1 ,nk k R α ⊥  =     , L a b= + . Положив в нём, 1 2, , 2 2 a b ε εε ε ε ε∆ ∆= = − = + , ( )1, 1 1ε β∆ < < − < < его легко преобразить к виду ( )( )2sin sin 0D p a p a V V ω ω ε      = + ⋅ − − ∆             , (2) ________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с. 70-75. 70 mailto:vbuts@kipt.kharkov.ua где ( )1 2 / 2p p p= + . Одним из решений уравнения (2) является соот- ношение ,p n V ω κ= + (3) где 2 / /L aκ π π= = , которое представляет собой условие излучения, полученное Тер-Микаэляном [8]. Если 1/p a V ω − < <   и выполнено условие Брэгга 1p a n V ω π  + − < <     , то выражение (2) преобразу- ется к виду 2 22 2 2 2 2 0 12 2 1 35 2 8 2 VD k k a c c ω ω εε ε ω ε      ∆    = − − +                ,(4) где 1 0k k κ= + r r r . В работе [1] величина D стоит в знаменателе выражения, определяющего величину спектральных потерь энергии на излучение заряженной частицей, движущейся с постоянной скоростью в слоистом ди- электрике. Выражение (4) для D практически сов- падает со знаменателем формулы, описывающей спектральную мощность излучения заряженной ча- стицы в кристалле в условиях динамической дифрак- ции (см., например, [9]). Отличие заключается только в численном коэффициенте, стоящим перед ( ) 2ε∆ . Это различие легко объясняется различным характе- ром неоднородностей, рассматриваемых в этих рабо- тах: резкая в работе [1] и плавная в работах [8,9]. Отметим, что общее условие излучения D =0 (2) кроме решения (3) имеет еще одно решение: p n v ω χ= − + . (5) Если соотношение (3) является условием возник- новения коротковолнового излучения ( )22γλ d− , то формула (5) определяет условие появления длин- новолнового излучения ( )d2−λ , которое распро- страняется навстречу движения релятивистской ча- стицы. Таким образом, при движении релятивистской заряженной частицы через периодически неодно- родный диэлектрик, в частности через кристалл, возникает как длинноволновое ( )d−λ , так и ко- ротковолновое ( )22γλ d− излучение. Наи- большая спектральная плотность излучения соответ- ствует условию динамической дифракции, когда оба множителя первого слагаемого в выражении (2) или в выражении (4) малы. Все эти результаты содер- жатся в общем условии излучения, полученном в ра- боте [1]. Следует отметить, что эти важные частные результаты получаются с помощью простых триго- нометрических преобразований общих выражений. 3. ОБОБЩЕНИЕ НА СЛУЧАЙ СРЕД С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОД- НОСТЬЮ Условие излучения (3) имеет вид условия черен- ковского взаимодействия заряженной частицы с волной, волновой вектор которой равен / fk vκ ω+ = . Фазовая скорость такой волны равна скорости частицы. Такая волна представляет собой виртуальную волну. Амплитуда ее пропорциональна степени неоднородности. Это же соотношение мож- но интерпретировать как закон сохранения импуль- са в процессе излучения. При этом, как следует из (3), частица отдает часть своего импульса среде ( κ⋅h ). При наличии пространственной периодиче- ской неоднородности появляется принципиально другая возможность для излучения заряженных ча- стиц. Эта возможность также связана с появлением виртуальных волн. Однако, в отличие от слоистых сред, амплитуды этих волн не зависят от степени неоднородности. От величины неоднородности за- висит только степень замедления виртуальных волн. Покажем, как могут быть введены эти медленные виртуальные волны. Диэлектрическую проницае- мость среды с пространственно-переодической неоднородностью будем представлять в виде ( )1 cosq rε κ= + ⋅r r , где 1q < < – степень неоднород- ности, κr - вектор обратной решетки. Если в слои- стой среде единственно возможным процессом ди- намической дифракции является дифракция Брэгга, то в средах, имеющих пространственно-периодиче- скую неоднородность (кристалл), появляется допол- нительная возможность резонансного взаимодей- ствия волн – дифракция Лауэ. Наличие дифракции Лауэ, как показано в работе [10], приводит к тому, что фазовые скорости волн, распространяющихся в таких средах, могут быть меньше скорости света. При этом появляется возможность черенковского взаимодействия заряженных частиц с электромаг- нитными волнами. Для пояснения такой возможно- сти представим себе, что периодически-неоднород- ная среда занимает нижнее полупространство 0z > . Пусть теперь из верхнего полупространства (вакуу- ма) на нижнее полупространство падает плоская электромагнитная волна. Пусть она имеет только одну компоненту электрического поля, которую можно представить в виде ( )expE A i k r= ⋅ ⋅ r r . По- падая в нижнее полупространство, падающая волна при выполнении следующих условий (условий резо- нанса) 1k k κ− = − r r r начинает взаимодействовать с волной, которая представляет собой минус первый порядок дифракции. Поле этой волны представим в виде ( )1 1 1expE A i k r− − −= ⋅ ⋅ r r . В простейшем случае уравнения, которые описывают изменения амплитуд этих взаимодействующих волн, можно представить в следующем виде: 2 1 4 z q k AdA dz i k −⋅ ⋅= − ⋅ ⋅ , 2 1 , 14 z dA q A k dz i k − − ⋅ ⋅= − ⋅ ⋅ , (6) где /k cω= . Легко видеть, что решениями этих уравнений бу- дут: ________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с. 70-75. 71 ( ) ( )1 sin / , cos /ext extA z L A z L− = = , (7) где 2 , 14 /ext z zL k k q k−= ⋅ ⋅ . При получении (7) мы учли, что на границе 0z = амплитуда падающей волны равна единице, а амплитуда волны минус первого порядка дифракции равна нулю. На расстоянии extz L= энергия падающей волны полностью перекачивается в энергию волны минус первого порядка дифракции. Это расстояние называ- ется длиной экстинкции. Таким образом, в результа- те динамического (резонансного) взаимодействия волн появилась новая пространственная характери- стика – длина экстинкции. Это приводит к тому, что выражение для волн, распространяющихся в кри- сталле, содержит слагаемые, которые можно интер- претировать как медленные виртуальные волны: ( ) ( )( )1 exp / exp / 2 ext extE i k r i z L i k r i z L= ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ r rr r , С этими волнами могут эффективно взаимодей- ствовать заряженные частицы. Следует отметить одну важную особенность ди- намической дифракции, которая возникает при «скользящем» распространении волны минус перво- го порядка дифракции, т.е. при , 1 0zk − = . В этом случае второе укороченное уравнение системы (6) становится уравнением второго порядка. Длина экс- тинкции при этом существенно уменьшается ( ) 2/3~extL q − . Существенно уменьшаются и фазо- вые скорости медленных виртуальных волн. 4. ИЗЛУЧЕНИЕ ОСЦИЛЛЯТОРОВ Можно ожидать, что когда скорость осциллято- ров будет близка к фазовой скорости медленной виртуальной волны, то такие осцилляторы будут из- лучать как релятивистские осцилляторы. В частно- сти максимум их спектральной мощности излучения будет приходиться на высокие номера гармоник. В работах [11-13] было показано, что это действитель- но так. В этих работах найдено выражение для мощ- ности излучения заряженной частицы, которая дви- жется в среде с диэлектрической проницаемостью cos( )0 q rε ε κ= + ⋅ ⋅r r по траектории sin0 0r V t r t= + Ω rr r . Ниже нас будет интересовать излучение только не- релятивистских частиц β < < 1. Особенности излу- чения таких частиц, как нам кажется, представляют наибольший интерес для возможного использования рассматриваемого механизма в качестве источника интенсивного коротковолнового излучения. Следует сказать, что нерелятивистские частицы излучают «длинноволновое» излучение. Длина волны λ тако- го излучения больше периода неоднородности сре- ды d , в которой происходит излучение ( )λ β~ /d . Рассмотрим покоящийся осциллятор ( V0 0= ). Предположим, что вектора κ и r0 параллельны оси z ( r rκ || ||r z0 ). Для этого случая в работе [11-12] было получено следующее выражение для мощно- сти излучения такого осциллятора: 2 2 2 2 42 3 2 3( ) ( ) (sin ) 3 2 1 0 W e q n J m dnt c mn π∂ β θ θ ∂ ⊥ ∞Ω ⋅= ∑ ∫ = , (8) где β ⊥ = r c 0Ω , m r= ⋅ r rκ 0 . Представляет интерес сравнить это выражение с выражением для мощности излучения осциллятора в однородной среде (в вакууме) (см., например [15]): ∂ ∂ β θ θ θ θ πW t e c n J n n d n = ⊥∫ = ∞ ∑ 2 2 2 2 2 01 Ω ( cos ) sin tan .(9) Сравнивая эти формулы легко увидеть, что мак- симум излучения нерелятивистских осцилляторов в среде с периодической неоднородностью лежит в области высоких номеров гармоник ( 1m n= > > ), в то время как в однородной среде возможно практи- чески только дипольное излучение ( 1n = ). 5. ИЗЛУЧЕНИЕ В ПЕРИОДИЧЕСКОМ ПО- ТЕНЦИАЛЕ При движении заряженных частиц в периодиче- ском потенциале частицы излучают. Это излучение достаточно хорошо изучено. Однако основное вни- мание сосредоточено на излучение релятивистских частиц. Это связано с тем, что релятивистские ча- стицы излучают излучение с длиной волны 2~ /dλ γ . На этом излучении основана работа лазе- ров на свободных электронах. Если частица нереля- тивистская, то длина излучаемой ею волны опреде- ляется выражением ~ /dλ β . Отсюда видно, что нерелятивистская частица излучает “длинноволно- вое” излучение, т.е. излучение, длина волны которо- го превосходит период потенциала. Однако, если потенциал создан, например, кристаллической ре- шеткой, то период этого потенциала очень мал ( 8~ 10d − см.). В этом случае мы имеем излучение не- релятивистской частицы в рентгеновском диапазо- не. Назвать такое излучение длинноволновым мож- но только условно. Ниже мы рассмотрим квантовую и классическую теории излучения нерелятивистской заряженной частицы в периодическом потенциале. Квантовое рассмотрение. При квантовом рассмот- рении движение заряженных частиц описывается волновой функцией. Если частица нерелятивист- ская, то волновая функция является решением урав- нения Шредингера. Пусть потенциал, в котором движется частица, имеет слабую периодическую компоненту: ( )zgUU ⋅⋅+= κcos0 . Тогда решение уравнения Шредингера можно представить в виде: ( ), expi i m i m i k m rκ Ψ = Ψ + ⋅ ⋅ ∑ r r r , (10) где mi,Ψ ∼ 0,i mg Ψ⋅ . Как видно из этого выражения, волновая функ- ция содержит слагаемые, которые можно предста- вить как виртуальные частицы. Причем, если мы бу- дем считать, что величина ( )ik mκ⋅ + r r h определяет импульс этих виртуальных частиц, то видно, что эти виртуальные частицы могут двигаться со скоростью, большей скорости света. Такие компоненты волно- вой функции могут эффективно взаимодействовать 72 с полем электромагнитных волн по черенковскому механизму взаимодействия. Следует сказать, что виртуальные частицы представляют собой аналог виртуальных волн при распространении электромаг- нитных волн в средах с периодической неоднород- ностью. Только в последнем случае нас интересова- ли медленные виртуальные волны. Для случая ча- стиц нас будут интересовать быстрые виртуальные частицы. Отметим, что сами по себе ни виртуальные волны, ни виртуальные частицы существовать не могут. Это качественная картина возможности излуче- ния заряженных частиц при наличии периодическо- го потенциала. Для получения количественных вы- ражений ниже мы воспользуемся теорией возмуще- ния. В рамках этой теории легко получить следую- щее выражение для мощности излучения заряжен- ной частицы. 2 , 0 0 ( ) ( )sinf iP d d d W π π ϕ θ ω ρ ω θ= ⋅∫ ∫ ∫ h h . Здесь 2 , , 2 | | ( )f i f iW U Eπ δ ω= − ∆h h , 3 2 3 3(2 ) L n c ωρ π = h , ∫ ∑ ⋅+⋅⋅= + 12 2 13, N wL h m dhH Nif Ψ λ π ( )ˆ( )( ) ( ) expf i f ie k e p i k r drλ λ ∗ ∗ ⋅ Ψ ⋅ Ψ + ⋅ Ψ Ψ ⋅ − ∆ ⋅  r rr r r r r ,(11) n2 = ε − диэлектрическая проницаемость среды, n − ее показатель преломления. ∆ r r r r k k k ki f= − − λ . Подставляя волновую функцию (11) в формулу (10), можно получить следующее выражение для мощно- сти излучения заряженной частицы, которая дви- жется в периодическом потенциале: 2 2 2 2 2( 1) (1 )q V cP g N d c v ω ω ε = ⋅ + ⋅ −∫ , (12) где 2 /( )iv eω κ= ⋅ ⋅r r при i fv v> > ; /( )iv eω κ= ⋅r r при iv ∼ fv ; ie − единичный вектор, направленный вдоль ivr . Если в периодическом потенциале движется ос- циллятор, то мы получаем формулу, которая совпа- дает с формулой (14) следующего раздела. Классическое рассмотрение. Формула (12) не со- держит постоянной Планка. Это означает, что она может быть получена в рамках классической элек- тродинамики. Ниже мы опишем результаты этого рассмотрения. При этом учтем, что движение в пе- риодическом потенциале совершает осциллятор. Итак, пусть заряженная частица движется во внешнем периодическом во времени электрическом поле ( )E t E t( ) cos= ⋅ ⋅Ω и в поле периодического потенциала ( )U U g z= + ⋅ ⋅0 cos κ . Для простоты мы будем считать, что движение происходит только вдоль оси z . Будем считать, что напряженности этих полей достаточно малы, так что движение ча- стицы в этих полях можно считать нерелятивист- ским. Кроме того, будем считать E g> > ⋅ κ . В этом случае функцию, которая описывает смещение частицы вдоль оси z , можно представить в виде следующего ряда: ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 2 12 0 ( ) cos ( ) sin 2 1 1 2 1 j j j A cz t t B cJ A j t j κ∞ + + = ⋅= − Ω − Ω ⋅ ⋅ + ⋅ Ω ⋅ ⋅ −  Ω+ ⋅ Ω ∑ , (13) где J j2 1+ - функция Бесселя ( )2 1j + - порядка, ( ) β=Ω≡ )/(mceEA , ( ) Ω≡ mcegB /κ . Используя формулу (13), легко найти излучение заряженной частицы. Нас интересует излучение вы- соких номеров гармоник. Для высоких номеров j > > 1 амплитуды компонент Фурье ряда (13) бы- стро убывают с ростом номера. Исключение состав- ляет член, у которого аргумент функции Бесселя ра- вен номеру функции Бесселя ( )Ω+= 12 jcAκ . Учитывая только это слагаемое, для мощности излу- чения мы получим формулу (9), в которой следует положить 2 0 /)( ωmJcBr m⋅Ω⋅⋅= , ( ) Ω⋅=+= mjm ω,12 . Ограничиваясь в формуле (9) дипольным излучением, для мощности излуче- ния получим следующее выражение: =⋅ ⋅ Ω= )( 3 22 22 mJB c e t W m∂ ∂ = )(1 3 22 22 2 2 2 mJm Amc eg c e m⋅     ⋅ Ω (14) Таким образом, мы видим, что условие максиму- ма излучения ωβκ =Ω= mc в этом случае полно- стью совпадает с условием излучения осциллятора в периодически неоднородном диэлектрике, т.е. и в том и в другом случае максимум излучения соответ- ствует одной и той же частоте. В тех случаях, когда ( ) ( )22/ qAmceg > роль периодического потенциа- ла на излучение будет значительнее. 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДО- ВАНИЯ Экспериментальному исследованию ПЧИ реля- тивистских частиц посвящена большая литература. Обзор этих исследований можно найти, например, в работе [14], а также в статье А.В. Щагина в этом журнале. Исследования излучения нерелятивист- ских частиц, насколько нам известно, проводились только в ННЦ «ХФТИ». Эти исследования были вы- полнены А.Н. Антоновым, О.В. Ковпиком, Е.А. Корниловым и В.Г. Свиченским. Наибольший практический интерес представляют исследования излучения гармоник. Этому и были, в основном, по- священы проведенные эксперименты. Прежде всего, механизм возбуждения гармоник был изучен в СВЧ-диапазоне. В этой серии экспери- ментов осцилляторами служили электроны плазмы, которые колебались в поле внешней электромагнит- ной волны. Средой служила искусственно сделанная решетка. В эксперименте изучалось возбуждение ________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с. 70-75. 73 третьей гармоники падающей волны. Частота этой волны была 2.7 ГГц. В целом, результаты проведен- ных экспериментальных исследований находятся в хорошем качественном согласии с теорией. Возбу- ждение колебаний на третьей гармонике (8,1 ГГц) наблюдалось только при одновременном присут- ствии плазмы и погруженной в нее решетке. Если решетка удалялась, то излучение на гармониках от- сутствовало. Если удалялась плазма - излучение так- же отсутствовало. Более того, плазму можно было удалять от решетки на различное расстояние. При этом существует некоторое критическое расстояние (~2 мм), начиная с которого сигнал на гармониках пропадает. Поляризация излучения по характеру со- ответствует излучению диполя. Это находится в со- гласии с теорией. Диаграмма направленности излуче- ния также находится в согласии с теорией. ВОЗБУЖДЕНИЕ ГАРМОНИК ПРИ ВОЗДЕЙ- СТВИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КРИСТАЛЛ Если в качестве периодической структуры ис- пользовать кристалл, то в тех же условиях экспери- ментов можно рассчитывать возбудить оптическое, УФ и рентгеновское излучения. Для проверки такой возможности была использована экспериментальная установка, в которой резонатор являлся нагрузкой высокочастотного тракта. В резонатор помещались пластины полупроводниковых кристаллов. Излуче- ние из резонатора фиксировалось электронным умножителем и фотоумножителем со сцинтилляци- онным преобразователем спектра излучения (для регистрации УФ). Основной результат проведенных экспериментов заключается в том, что во всех слу- чаях наблюдалось излучение, происхождение кото- рого можно объяснить изучаемым нами механиз- мом. В качестве примера на рисунке представлены характерные результаты экспериментов. На нем представлены осциллограммы высокочастотного импульса в резонаторе на частоте 2,7 ГГц и реги- стрируемого излучения с кристалла ( λ ∼10-5 см) при напряженности поля 20 кВ/см. Амплитуда микроволнового сигнала (верхняя кривая линия) и сигнал излучения с кристалла (нижняя кривая) Таким образом, наблюдалось возбуждение излу- чения на миллионной гармонике. 7. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Основной интерес представляют результаты экс- периментальных исследований. Поэтому ниже мы, в основном, обсудим эти результаты. Результаты се- рии проведенных экспериментов в целом находятся в хорошем согласии с нашими представлениями о механизме излучения нерелятивистскими осцилля- торами. Во многих случаях имеется достаточно хо- рошее количественное согласие теории с экспери- ментом. Следует отметить, что результаты экспери- ментов в сантиметровом диапазоне достаточно пол- ны для однозначной интерпретации. Характеристи- ки излучения в этом диапазоне понятны практиче- ски во всех деталях. Что касается ультрафиолетово- го диапазона ( λ ∼10-5 см) − ситуация менее ясна. К сожалению, мы не имеем достаточных эксперимен- тальных возможностей для более детального иссле- дования этого диапазона. Нам в настоящее время не ясно, какую роль играют электроны, находящиеся вблизи поверхности кристалла и в его объеме. Не ясно также соотношение вкладов в излучение пери- одичности потенциала и периодичности диэлектри- ческой проницаемости. В настоящее время нам неизвестны другие меха- низмы (кроме исследуемых нами), которые бы мог- ли приводить к наблюдаемому нами излучению. Действительно, такое излучение могло быть поро- ждено пробоем. Нами специально были подобраны условия, чтобы пробой отсутствовал. Такое излуче- ние могло бы возникнуть в результате возбуждения каких-либо примесных центров полупроводника. Однако релаксация примесных центров носит со- всем другой характер. Следует заметить, что когда создавались условия для существования пробоя на поверхности кристалла, интенсивность наблюдаемо- го нами излучения значительно возрастала. Это можно объяснить как излучением плазмы, так и тем фактом, что количество электронов вблизи поверх- ности кристалла в этих условиях значительно увели- чивалось. Последний факт может приводить к суще- ственному увеличению эффективности рассматрива- емого нами механизма излучения. Однако эти факты требуют дальнейшего изучения. Особый интерес представляет коллективный процесс излучения. Теория такого излучения по- строена. Что касается экспериментов, то в сантимет- ровом диапазоне длин волн мы, безусловно, наблю- дали именно коллективное излучение. В оптическом и ультрафиолетовом диапазонах мы только рассчи- тываем на возможность такого излучения. Имеющи- еся экспериментальные результаты не дают нам воз- можности сделать какое-либо заключение по этому поводу. Таким образом, развитие идей излучения заря- женных частиц в периодических структурах в насто- ящее время реализовано в счетчиках релятивистских частиц, а также в потенциальной возможности ис- пользовать это излучение в новых устройствах, ко- торые можно назвать нерелятивистскими лазерами на свободных электронах «НРЛСЭ». Автор благодарит Степанова К.Н., Файнберга Я.Б. и Яковенко В.М. за полезные обсуждения результатов. ЛИТЕРАТУРА 1. Я.Б. Файнберг, Н.А. Хижняк. Потери энергии заряженной частицей при прохождении через 74 слоистый диэлектрик //ЖЭТФ. 1957, т.32, вып.4, с.883-895. 2. В.Л. Гинзбург, В.Н. Цытович. Некоторые вопро- сы теории переходного излучения и переходно- го рассеяния //УФН, 1978, т.126, вып.4, с.553- 608. 3. В.Л. Гинзбург // УФН. 1996, 166. №10, c.1033- 1042. 4. В.Л. Гинзбург, В.Н. Цытович. Переходное излу- чение и переходное рассеяние. М.: «Наука». 1983, с.360. 5. М.Л. Тер-Микаэлян. Влияние среды на электро- магнитные процессы при высоких энергиях. Ереван: Изд. АН Арм. ССР. 1969, с.457. 6. Г.М. Гарибян, Ян Ши. Рентгеновское переход- ное излучение. Ереван: Изд. АН АрмССР, 1983, с.420. 7. В.А. Буц, Н.А. Хижняк. Исследования парамет- рического черенковского излучения // Плазмен- ная электроника. Киев: «Наукова Думка». 1989, с.300. 8. М.Л. Тер-Микаэлян. Излучение быстрых частиц в неоднородной среде // ДАН СССР. 1960,т.34, c.318. 9. Г.М. Гарибян, Ян Ши. Квантовая микроскопи- ческая теория излучения равномерно движу- щейся заряженной частицы в кристалле // ЖЭТФ. 1971, т.61, №3(9), c.930-943. 10. В.А. Буц. Излучение заряженных частиц равно- мерно движущихся в средах с пространственно- периодической неоднородностью // Известия вузов. Радиофизика. 1983, т.26, №8, с.1101-1102. 11. V.A.Buts. // Intense Microwave Pulses V. 31 July-1 August 1997, San Diego, California, v.31158, p.202-208. 12. В.А.Буц. “Длинноволновое” излучение заряжен- ных частиц в средах с периодической неодно- родностью // Радиотехника. 1997, 9, с.9-12. 13. В.А.Буц. Коротковолновое излучение нереляти- вистских заряженных частиц // ЖТФ. 1999, 69, вып.5, с.132-134. 14. В.О.Буц, А.В. Щагін. Дослідження параметрич- ного черенковського випромінювання // УФЖ. 1998, 43, N 9, с.1172-1174. 15. А.А. Соколов, И.М. Тернов. Релятивистский электрон. М.: “Наука”, 1974. PARAMETRIC CHERENKOV RADIATION (DEVELOPMENT OF IDEA) V.A. Buts Some physical results of researches about charged particles radiation in mediums with a periodic heterogeneity and in periodic potentials are reported. Is shown that the basic results, obtained in basic work of Ya.B. Fainberg and N.A. Khignyak, in further were rediscovered by other authors. The development of ideas Parametric Cherenkov Ra- diation has shown, that in mediums, which have even a weak degree of a periodic heterogeneity of an permittivity or potential, the nonrelativistic oscillators can radiate as relativistic. They effectively radiate the high numbers of har- monics. In particular, in the carried out experiments the ultra-violet radiation was excited at action on a crystal of in- tensive ten-centimetric radiation. These results give the reasons to hope for making of nonrelativistic lasers on free electrons. ПАРАМЕТРИЧНЕ ЧЕРЕНКОВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ (РОЗВИТОК ІДЕЇ) В.О. Буц Викладено деякі фізичні результати досліджень збудження випромінювання зарядженими частками в середовищах з періодичною неоднорідністю та в періодичних потенціалах. Показано, що основні результати, отримані в основній роботі Я.Б. Файнберга та М.А. Хижняка, надалі були перевідкриті іншими авторами. Розвиток ідей ПЧВ показало, що в середовищах, що мають дуже слабкий ступінь періодичної неоднорідності діелектричної проникності чи потенціалу, нерелятивістські осцилятори можуть випромінювати як релятивістські. Вони ефективно випромінюють високі номери гармонік. Зокрема, в проведених експериментах було збуджено ультрафіолетове випромінювання при впливі на кристал інтенсивного десятисантиметрового випромінювання. Ці результати дають підставу сподіватися на створення нерелятивістських лазерів на вільних електронах. ________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с. 70-75. 75 В.А. Буц Классическое рассмотрение. Формула (12) не содержит постоянной Планка. Это означает, что она может быть получена в рамках классической электродинамики. Ниже мы опишем результаты этого рассмотрения. При этом учтем, что движение в периодическом потенциале совершает осциллятор. 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 7. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛИТЕРАТУРА V.A. Buts В.О. Буц
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80443
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T13:11:48Z
publishDate 2004
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Буц, В.А.
2015-04-18T04:32:46Z
2015-04-18T04:32:46Z
2004
Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи) / В.А. Буц // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 70-75. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80443
533.09:537.87
Изложены некоторые физические результаты исследований возбуждения излучения заряженными частицами в средах с периодической неоднородностью и в периодических потенциалах. Показано, что основные результаты, полученные в основополагающей работе Я.Б. Файнберга и Н.А. Хижняка, в дальнейшем были переоткрыты другими авторами. Развитие идей ПЧИ показало, что в средах, которые имеют даже слабую степень периодической неоднородности диэлектрической проницаемости или потенциала, нерелятивистские осцилляторы могут излучать как релятивистские. Они эффективно излучают высокие номера гармоник. В частности, в проведенных экспериментах было возбуждено ультрафиолетовое излучение при воздействии на кристалл интенсивного десятисантиметрового излучения. Эти результаты дают основание надеяться на создание нерелятивистских лазеров на свободных электронах.
Викладено деякі фізичні результати досліджень збудження випромінювання зарядженими частками в середовищах з періодичною неоднорідністю та в періодичних потенціалах. Показано, що основні результати, отримані в основній роботі Я.Б. Файнберга та М.А. Хижняка, надалі були перевідкриті іншими авторами. Розвиток ідей ПЧВ показало, що в середовищах, що мають дуже слабкий ступінь періодичної неоднорідності діелектричної проникності чи потенціалу, нерелятивістські осцилятори можуть випромінювати як релятивістські. Вони ефективно випромінюють високі номери гармонік. Зокрема, в проведених експериментах було збуджено ультрафіолетове випромінювання при впливі на кристал інтенсивного десятисантиметрового випромінювання. Ці результати дають підставу сподіватися на створення нерелятивістських лазерів на вільних електронах.
Some physical results of researches about charged particles radiation in mediums with a periodic heterogeneity and in periodic potentials are reported. Is shown that the basic results, obtained in basic work of Ya.B. Fainberg and N.A. Khignyak, in further were rediscovered by other authors. The development of ideas Parametric Cherenkov Radiation has shown, that in mediums, which have even a weak degree of a periodic heterogeneity of an permittivity or potential, the nonrelativistic oscillators can radiate as relativistic. They effectively radiate the high numbers of harmonics. In particular, in the carried out experiments the ultra-violet radiation was excited at action on a crystal of intensive ten-centimetric radiation. These results give the reasons to hope for making of nonrelativistic lasers on free electrons.
Автор благодарит Степанова К.Н., Файнберга Я.Б. и Яковенко В.М. за полезные обсуждения результатов.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Параметрическое излучение
Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)
Параметричне черенковське випромінювання (розвиток ідеї)
Parametric cherenkov radiation (development of idea)
Article
published earlier
spellingShingle Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)
Буц, В.А.
Параметрическое излучение
title Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)
title_alt Параметричне черенковське випромінювання (розвиток ідеї)
Parametric cherenkov radiation (development of idea)
title_full Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)
title_fullStr Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)
title_full_unstemmed Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)
title_short Параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)
title_sort параметрическое черенковское излучение (развитие идеи)
topic Параметрическое излучение
topic_facet Параметрическое излучение
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80443
work_keys_str_mv AT bucva parametričeskoečerenkovskoeizlučenierazvitieidei
AT bucva parametričnečerenkovsʹkevipromínûvannârozvitokídeí
AT bucva parametriccherenkovradiationdevelopmentofidea

Схожі ресурси