Способ генерации электромагнитного излучения

 

СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, включанщий облучение коллимированным потоком релятивистских заряженных частиц монокристаллической пластины, ориентированной своей поверхностью к оси пучка под углом tj , меньшим критического угла Линдхарда, отличающ и и с я тем, что, с целью увеличения интенсивности излучения, пластину помещают в однородное магнитное поле напряжённостью .2срМ, й1. еа ей где|3 V скорость ,частицы; е - заряд частицы, С - скорость света; а - межатомное расстояние в кристалле; I - длина пластины; Е - энергия частицы, силовые линии которого лежат в плоскости , параллельной рабочей плоскости пластины, и перпендикулярны оси пучка заряженных частиц.

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) С 21 G 4 04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2(f — сЯс2<у

И ре еа

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3421972/18-25 (22) 13.04.82 (46) 28.02.85. Бюл. 1(- 8 (72) С.А.Воробьев, В.В.Каплин и Е.И.Розум (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте (53) 539.12(088.8) (56) 1. Патент СН1А Р 3260846, .кл. 250-77, опублик. 1966.

2. Кумахов М.А. К вопросу поворо/ та заряженных частиц на кристалле.

Письма в ЖТФ, 1979, т. 5, вып ° 24, с. 1530 (прототип).

3. Авторское свидетельство СССР

N 573101, кл. Н 05 Н 7/00, 1979; (54) (57) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий облучение коллимированным потоком релятивистских заряженных частиц монокристаллической пластины, ориентированной своей поверхностью к оси пучка под углом, меньшим критического угла Линдхарда, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью увеличения интенсивности излучения, пластину помещают в однородное магнитное поле напряженностью

rgeP =—

С

" — скорость .частицы; е — заряд частицы; с — скорость света; а — межатомное расстояние в кристалле;

Ь вЂ” длина пластины;

Š— энергия частицы, силовые линии которого лежат в плоскости, параллельной рабочей плоскости пластины, и перпендикулярны оси пучка заряженных частиц.

1t i 1010

Изобретение относится к способам получения потоков электромагнитного излучения и может быть использовано при создании источников ионизирующего излучения, применяемых в радиационной технологии и при диагностике материалов и изделий.

Известен способ генерации электромагнитного излучения в ультрафиолетовой области с помощью источника за- 10 ряженных частиц и кристаллического сцинтиллятора, например 1|аI(Gs), Возбужденный при облучении заряженными частицами сцинтиллятар испускает кванты излучения (1) .

Однако такай способ не позволяет получить излучение рентгеновского диапазона., а т-|кже не позволяет регули-. ровать частоту излучения без замены используемого кристалла. 20

Наиболее б)п|зким техническим решением к предложенному является способ генерации электромагнитного излучения, включающий облучение коллимираванньм патокам релятивистских 2 заряженных частиц двух параллепьных др уг дру гу м он акр ис талличе с к их пла стин (2) .

Пластины расположены вдоль направления распространения пучка и ориентированы по отношению к оси пучка так, что угол g между пучком и поверхностью пластины меньше критического угла Линдхарда. Траектория движения частицы пучка при этом представляет

35 собой периодическую линию с длинои периода 2 8„/ q (где 6д — расстояние между пластинами) вследствие многократного рассеяния ат поверхностей кристаллических пластин. При подходе 4О частицы к атомной плоскости имеет место скользящее отражение ат поверхности и релятивистская частица будет вследствие эффекта Допплера излучать кванты с длиной волны

0„

4: ф (p f L где g = E J m Е2 — лоренц-фактор частицы; энергия частицы

Для,F = 1 ГэВ при расстоянии, например, между кремниевыми пластина- . ми < 10 М и yI )Ie падения q = 3 >

«10 град излучение лежит в области длин волн Ъ 102 А.

Такой способ обладает рядом недостатков. Ва-первых, необходимо

50 использовать пучки заряженных частиц с м1111имальньп|и поперечными размерами, так как при поверхностном каналиравании реализуется скользящее рассеяние. Так, при поперечном размере пучка <)д О, 1 мм для позитронов с энергией 1 ГэВ величина зоны однократного рассеяния будет равна L 3,1/

/((0,3 м. Ва-вторых, получение излу- чения в жестком диапазопе требует решения еще более сложных технических задач, поскольку в этом случае необходима использовать пучки частиц с энергией )) 1,0 ГэВ. Тогда. зона однократного взаимодействия пучка позитронов с поверхностью кристалла достигнет несколько метров и изготовление совершенных кристаллов для такого андулятара практически невозможно. В-третьих, необходимо ориентировать кристаллы так. чтобы кристаллаграфические направления одного кристалла г пределах критического угла Линдхарда были параллельны со-. ответствующим кристаллографическим направлени: м др 1" а1 а,T)HcTRJIJIG что представляет при больших энергиях заряженных частиц и малых расстояниях между кристалламп значительную трудность. Более того, интенсивность получаемого излучения определяется кратностью отражения частиц от поверхностей кристаллов, которая в при" веденнам способе с кристаллами реаль-— ных размеров составляет величину не более 1-2.

Цель изобретения — увеличение интенсивности получаемого электромагнитного излучения.

Цель достигается тем, что в способе генерации электромагнитного излучения, включающем облучение коллимированным потоком релятивистских заря. женных частиц монакристаллической пластины, ориентированной своей поверхностью к оси пучка под углбм 9 меньшим критического угла Линдхарда, пластину помещают в однородное посто янное магнитное поле напряженностью

P Pq — 4Нс 2(р = еь ео

Y где с. 9 скорость частицы;

6 - заряд частицы;

< - -скорость света о - межатомное расстояние в крис- ° талле

1101050

L — длина пластины;

Š— э не р гия ча стицы, силовые лйнии которого лежат в плоскости, параллельной рабочей плоскос- ти пластины, и перпендикулярны оси пучка заряженных частиц.

На чертеже изображена схема ðåàлизации предложенного способа.

Пучок релятивистских легких заряженных частиц 1, коллимированных с помощью входного 2 и выходного 3 коллиматоров, направляют на монокристал; лическую пластину 4..Монокристаллическая пластина ориентирована своей поверхностью к оси входного 2 коллиматора под углом, меньшим критического угла Линдхарда, и помещена в однородное постоянное магнитное поле, напряженностью Н, силовые линии которого (на чертеже изображены тачками) перпендикулярны плоскости, проходящей через оси входного и выходного коллиматоров.

Пучок заряженных частиц 1, например электронов, от источника формиру- g5 ется входным 2 коллиматором до угловой расходимости д < „ и падает .под углом ц «» щ„ на поверхность монокристаллической пластины 4. (Для электронов, напримеР с E =1ГэВ и ориентацией (110) монокристалла кремния q „ =3 ° 10 рад). При этом каждая

-Д частица испытывает скользящее рассея ние и под тем же углом (180" Cf) начинает удаляться от поверхности пластины. Под деиствием постоянного маг35 нитного ноля напряженностью Н элек.троны после отражения опишут дугу радиусом

,с у ре

40 й„ вЂ” = ен ен где Р V/С 9

:- .С - скорость света, N ;Y,8 — масса, скорость и заряд электрона соответственно, 45 и вновь попадут на поверхность пластины под углом . Для тех же усло. вий: Е =1 ГэВ кристалла Si и напряженности поля Н =10 кгс - радиус

fl

=300 см.

Радиус дуги, которую описывает электрон при отражении от поверхности кристаллической пластины,,сос-Е тавляет " t = «g„а расстоя2Uo . ние между точками отражения каждо-, го электрона

pE2(p ВЕ.2, ф0о/Е) РЕ 2 (2(!о) = н Ч = — - = > ен ей ен где Ц вЂ” потенциал кристаллической плоскости, совпадающей с поверхностью пластины. Так как для Е =1 ГэВ и

8=100 кгс расстояние между точками отражения 3 =0,18 мм, на поверхности пластины длиной 40 мм количество отражений Й =200. В момент каждого отражения заряженных частиц от поверхности пластины излучаются кванты энергии. Полная излучаемая энергия

1 К (где К вЂ” кратность отражения от пластины) превышает интенсивность излучения при отражении от двух параллельных пластин (прототип). Действительно, например, для Е =1 ГэВ, Ц=100 кгс и длины кристалла 40 мм имеем для предлагаемого источника

k,=LIRAS 2 =200, для прототипа

К„, = 4/0> ° Ц) 1,2. В итоге ? /Х,„=180 раз

Кроме - общего увеличения интенсивности излучения, будет иметь место усиление вследствие интерференции на частотах

Так как И=Я фЕ е 4

=1 ГэВ, (110)Si и L, =2 см двухкратность отражения достигается уже при

T o. при 6

Ос уе и>уи=" и=! 2,3, „

Ширина каждого пика в спектре получаемого излучения определяется как

Х Х"

При движении заряженная частица будет излучать кванты энергии не только на участке траектории с раЯ Е3 диусом,. «г = вблизи поверхности

2Ио пластины, но и на.участке траектории с Радиусом 3> рЕ /ец, z действие поверхностного потенциала на частицу отсутствует и определяющим является действие магнитного поля. При этом излучаются кванты энергии как в обычном магнитном ондуляторе. Однако расчет полной энер-. гии этих излучений показывает, что

l /1« "-5 ° 10 . Таким образом, основной вклад дает излучение при отражении. Отметим, что положительньй эффект - многократность отражения-достигается уже при весьма слабых полях и

1101050

Редактор Л.Письман Техред С.Легеза

Корректор. М.Демчик.

Заказ 578/4 Тираж 408 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Н =0,5 кгс. При меньших значениях частица отразится от поверхности.монокристаллической пластины один раз и положительный эффект не наблюдается. При значении напряженности поля 5 рЕ

Q > 2 — - положительный эффект также с не достигается, поскольку не реализуется эффект каналирования. В связи с

10 этим на величину магнитного поля необходимо наложить ограничения

9е (ATE

2 — < Н 2(р

eL еа

Пример конкретной реализации спо-. соба.

В качестве источника заряженных

1l II частиц используем синхротрон Сириус с энергией электронов E =1 ГэВ и уг20 ловой расходимостью пучка Щ 1» к10 "град. Монокристаллнческая пластина размерами (40к10х1) мм изготовлена из кремния, так что кристаллографическая плоскость (110) совпада25 ет с наибольшей по площади гранью пластины. Рабочая поверхность пластины, на которую падает пучок электронов, с целью уменьшения диффузно го отражения и.поглощения, подвергну та вначале шлифовке, а затем химичес.З0 кой полировке. Пластину ориентируют. так, что пучок электронов полностью падает на один ее край, а угол падения g и g =0,3 мрад. Монокристаллическую пластину помещают в магнит- 3g . ное поле, однородное по всей длине кристалла, с напряженностью H =

=100 кгс, что удовлетворяет ограничению на величину магнитного поля.

При этом радиус описываемой элек- 40 тронами дуги R„ =- †=30 см, а

5 ° E еИ расстояние между точками отражения составляет (а R„2 cf =. 1,8-10 см.

Ч аким образом, на длине пластины

t, =40 мм пучок испытывает более

200 отражений. Генерируемое при этом излучение отбирается за пластиной с помощью выходного коллиматора.

Длина волны спектрального пика по-. лучаемого излучения Ъ =6(g для Е=

=1 Гэ и Н=100 кгс составляет 0,5А что более чем в 200 раз жеСтче длины волны излучения ондулятора Aqua =,„,„ /2у ж 100 А, с этой хе энергией электронов Е и напряженностью поля-Н и с наиболее распространенными значениями периодичности

1р 8

2 с О

Мощность излучения ф = по 3 лученная предложенным способом, превышает мощность излучения магнитного ондулятора, выбранного нами за базовый объект |3) более чем на четыре порядка.

Полная энергия излучения частицы в таком источнике превышает полную излученную энергию частицы в ондуляторе в три раза. Кроме того, предлагаемый источник позволяет изменением напряженности магнитного поля Н регулировать длину волны излучения, так как % 8 Rz Н, что невозможно для магнитных ондуляторов.

Таким образом, использование предложенного способа генерации электромагнитного излучения обеспечит по сравнению с прототипом увеличение. интенсивности более чем в 180 раз, а по сравнению с базовым объектом увеличение мощности излучения более чем на четыре порядка, получение более жесткого излучения и возможности регулирования длины волны излучения.