Горизонты научного поиска

Недавно в экспериментах на нуклотроне удалось впервые наблюдать параметрическое рентгеновское излучение при взаимодействии релятивистских ядер с кристаллами. Это еще один механизм электромагнитного излучения быстрых заряженных частиц в среде, реализующийся и для тяжелых частиц.

Известно, что основным механизмом излучения в среде для легких заряженных частиц - электронов (позитронов) является тормозное излучение, возникающее при торможении и рассеянии частиц в электрическом поле атомов среды. Медицинские рентгеновские аппараты дают пример использования тормозного излучения электронов. Для тяжелых ускоренных частиц - протонов и ядер - тормозное излучение в веществе практически отсутствует.

Известны и широко используются в экспериментальных исследованиях электромагнитные излучения, возникающие при равномерном и прямолинейном движении быстрых заряженных частиц в среде, - излучение Вавилова-Черенкова и переходное излучение. Оба механизма одинаково хорошо работают для легких и тяжелых частиц, так как в обоих случаях источник излучения - не движущаяся частица, а возбужденные атомы вещества.

Излучение Вавилова-Черенкова реализует снятие возбуждений атомов вещества, вызванных прохождением частицы. Такой механизм снятия возбуждений возможен только для прозрачной среды, в которой фазовая скорость света меньше скорости частицы. При этом для определенного направления под углом к скорости частицы электромагнитные волны, испускаемые возбужденными атомами вдоль всей траектории частицы, согласуются по фазе и не гасят друг друга. Излучение Вавилова-Черенкова - это когерентное высвечивание возбужденных атомов. Оно наблюдается в оптическом диапазоне частот. Это единственный механизм излучения равномерно движущейся частицы в однородной среде.

Равномерно движущаяся частица сможет излучать, если в среде создать неоднородности вдоль траектории частицы. Простейшей неоднородностью является прохождение частицей границы раздела двух сред с разными диэлектрическими свойствами. Возникающее при этом излучение называется переходным. При переходе через границу скачком изменяется поле частицы и фазовая скорость света. За счет этого электромагнитные волны, испускаемые возбужденными атомами вблизи границы раздела в первой и второй средах, не гасят друг друга. При этом назад от границы раздела излучаются волны видимого диапазона, а вперед под малыми углами к направлению частицы - волны рентгеновского диапазона.

В кристалле упорядоченное расположение атомов дает еще один механизм излучения для равномерно и прямолинейно движущегося заряда, связанный с высвечиванием возбужденных атомов. Электромагнитное поле движущейся заряженной частицы может быть представлено набором виртуальных фотонов разной частоты с направлениями волновых векторов вблизи направления частицы. Виртуальные фотоны, отвечающие условию Брэгга дифракции на определенной системе кристаллографических плоскостей, через процесс возбуждения и высвечивания атомов кристалла становятся реальными - испускается параметрическое излучение. Межатомные расстояния в кристалле (порядка 0,1 нм) определяют длины волн электромагнитного излучения, для которых возможна дифракция. Это рентгеновские фотоны. Поэтому и параметрическое излучение заряженных частиц, возникающее в кристалле, есть рентгеновское излучение.

Механизм возникновения параметрического рентгеновского излучения (ПРИ) быстрых заряженных частиц в кристалле был предсказан и изучен теоретически в работах М.А.Тер-Микаэляна (1969), В.Г.Барышевского и И.Д.Феранчука, Г.М.Гарибяна и Ян Ши (1971). ПРИ от релятивистских электронов в кристалле впервые наблюдалось в эксперименте на электронном синхротроне "Сириус" в НИИ ядерной физики Томского политехнического университета в 1985 году. После этого параметрическое рентгеновское излучение широко исследовалось на пучках электронов разных энергий.

Как показали исследования, параметрическое рентгеновское излучение электронов в кристалле является квазимонохроматическим, линейно поляризованным. Энергия фотонов ПРИ определяется в основном параметрами кристалла. Выход ПРИ слабо логарифмически растет с энергией частиц. Ширина углового распределения этого излучения обратно пропорциональна энергии частиц. В рентгеновском диапазоне параметрическое излучение электронов в кристаллах обладает максимальной спектрально-угловой плотностью, превосходя синхротронное излучение. Причем энергию рентгеновских фотонов можно плавно менять вращением кристалла. Источники монохроматического рентгеновского излучения с использованием эффекта ПРИ в кристаллах уже создаются на основе сильноточных линейных ускорителей электронов в Японии и США.

В 2003 году нами вместе с сотрудниками Института физико-технических проблем (Дубна) и НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете был подготовлен проект, одной из целей которого было обнаружение и исследование параметрического рентгеновского излучения на ядерных пучках нуклотрона ЛВЭ ОИЯИ. Характеристики параметрического рентгеновского излучения не зависят от знака заряда и массы частицы, поэтому следовало ожидать, что тяжелые частицы - релятивистские ядра также должны генерировать ПРИ в кристаллах. Кроме того, так как выход ПРИ пропорционален квадрату заряда частицы, то ядра с зарядом Z>1 должны генерировать в кристалле более интенсивное ПРИ, чем электроны. Проект был одобрен и поддержан Международным научно-техническим центром и Российским фондом фундаментальных исследований.

Все выполненные до этого исследования ПРИ проводились на пучках электронов. Единственный эксперимент на пучке протонов 70 ГэВ с кристаллом кремния в Протвино выявил определенную трансформацию регистрируемых детектором спектров с изменением угла наклона кристалла, которую можно было объяснять регистрацией фотонов ПРИ. Сцинтилляционный спектрометр, использовавшийся в этом эксперименте, имел низкое энергетическое разрешение и не мог позволить выявить пик параметрического излучения.

Первый эксперимент на нуклотроне, в котором удалось зарегистрировать параметрическое излучение, был проведен на пучке протонов 5 ГэВ с кристаллами кремния и графита в конце 2004 года. Затем был успешный эксперимент на пучке ядер углерода с энергией 2,2 ГэВ на нуклон. Для регистрации рентгеновских фотонов использовался полупроводниковый кремниевый спектрометр с высоким энергетическим разрешением. В спектрах излучения зарегистрированы максимумы, положения которых зависят от угла ориентации кристалла и соответствуют теоретическим значениям для линий параметрического излучения. Угловая плотность излучения в максимумах значительно выше для ядер углерода, что качественно подтверждает зарядовую зависимость выхода ПРИ. Таким образом, получено первое экспериментальное подтверждение существования параметрического излучения в кристаллах для тяжелых частиц - релятивистских ядер.

Одной из трудностей при постановке нашего эксперимента была значительная фоновая загрузка рентгеновского спектрометра за счет вторичных частиц, генерируемых по тракту и в окружении детектора. Свои опасения относительно сильного нейтронного фона, который может затруднить регистрацию рентгеновских фотонов от кристалла, высказывал один из коллабораторов проекта профессор И.Эндо из университета Хиросимы при посещении ОИЯИ и обсуждении экспериментов. Проблему высокой фоновой загрузки спектрометра нам удалось решить, используя надежную коллимацию и оптимальную настройку регистрирующего тракта детектора.

Обнаружение в экспериментах на пучках нуклотрона параметрического излучения релятивистских ядер в кристалле открывает перспективы использования этого эффекта для диагностики ядерных пучков на других ускорителях высоких энергий. Одним из существенных достоинств является то, что фотоны ПРИ испускаются под большими углами к пучку. Эксперименты на нуклотроне планируется продолжить с целью исследование зависимости выхода параметрического излучения и его характеристик от заряда ядер, их энергии и параметров кристалла.