Некогерентное рассеяние ультрарелятивистских каналированных частиц на электронах

  • Виктор Васильевич Тихомиров Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-8323-9273
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-3-49-61

Аннотация

Статья посвящена проблеме последовательного описания движения заряженных частиц высоких энергий в поле атомных цепочек и плоскостей ориентированных кристаллов, применяемого для управления пучками крупнейших ускорителей и получения интенсивного гамма-излучения. В дополнение к развитому ранее описанию рассеяния каналированных частиц на ядрах рассматривается некогерентное рассеяние на электронах. Развиваемая теория учитывает эффекты передачи импульса между быстрыми частицами и электронами атомов кристалла на расстояниях, начиная с минимальных и кончая превышающими межатомные, а также включает зависящий от температуры фактор Дебая – Валлера, рассчитанные с учетом деталей атомной структуры формфакторы и функцию рассеяния. Все эффекты модификации электронного рассеяния в кристаллах сведены к величине, играющей роль эффективного минимального передаваемого импульса и более чем на порядок превышающей величину, соответствующую средней атомной энергии теории Бете – Блоха. Совместное использование этой величины с выражением для среднего квадрата угла отклонения классически движущейся частицы позволяет корректно сравнить рассеяние на электронах и ядрах, а с сечением Резерфорда – смоделировать процесс плоскостного каналирования положительно заряженных частиц в весьма протяженных кристаллах, которые предполагается применять для вывода пучков из ускорителей, измерения электромагнитных характеристик короткоживущих частиц и создания источников интенсивного узкополосного рентгеновского излучения и гамма-излучения на основе кристаллических ондуляторов.

Биография автора

Виктор Васильевич Тихомиров, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; главный научный сотрудник отраслевой лаборатории радиационной безопасности

Литература

  1. Baryshevsky VG. Kanalirovanie, izluchenie i reaktsii v kristallakh pri vysokikh energiyakh [Channeling, radiation and reactions in crystals at high energies]. Minsk: BGU imeni V. I. Lenina; 1982. 256 p. Russian.
  2. Elsener K, Fidecaro G, Gyr M, Herr M, Klem J, Mikkelsen U, et al. Proton extraction from the CERN SPS using bent silicon crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 1996;119:215–230.
  3. Baryshevsky VG. Electromagnetic dipole moments and time reversal violating interactions for high energy charged baryons in bent crystals at LHC. The European Physical Journal C. 2019;79:350. DOI: 10.1140/epjc/s10052-019-6857-6.
  4. Aiola S, Bandiera L, Cavoto G, De Benedetti F, Fu J, Guidi V. Progress towards the first measurement of charm baryon dipole moments. Physical Review D. 2021;103:072003. DOI: 10.1103/PhysRevD.103.072003.
  5. Baryshevsky VG, Tikhomirov VV. Crystal undulators: from the prediction to the mature simulations. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2013;309:30–36. DOI: 10.1016/j.nimb.2013.03.013.
  6. Bethe HA. Intermediate quantum mechanics. New York: Benjamin; 1964. 276 p. Russian edition: Bethe H. Kvantovaya mekhanika. Bonch-Bruevich VL, editor. Moscow: Mir; 1965. 334 p.
  7. Landau LD, Lifshitz EM. Kvantovaya mekhanika. Nerelyativistskaya teoriya [Quantum mechanics. Non-relativistic theory]. Moscow: Nauka; 1974. 752 p. (Teoreticheskaya fizika; tom 3). Russian.
  8. Berestetskii VB, Lifshitz EM, Pitaevskii LP. Kvantovaya elektrodinamika [Quantum electrodynamics]. 3rd edition. Moscow: Nauka; 1989. 728 p. (Teoreticheskaya fizika; tom 4). Russian.
  9. Landau LD, Lifshits EM. Elektrodinamika sploshnykh sred [Electrodynamics of continuous media]. 2nd edition. Moscow: Nauka; 1982. 624 p. (Teoreticheskaya fizika; tom 8). Russian.
  10. Jackson JD. Classical electrodynamics. 3rd edition. New York: Wiley; 1999. 832 p.
  11. Tikhomirov VV. Quantum features of high energy particle incoherent scattering in crystals. Physical Review Accelerators and Beams. 2019;22(5):054501. Erratum in: Physical Review Accelerators and Beams. 2020;23(3):039901. DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.054501.
  12. Tikhomirov VV. Incoherent ultrarelativistic particle scattering by nuclei at planar channeling. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2020;1:83–94. DOI: 10.33581/2520-2243-2020-1-83-94.
  13. Esbensen H, Golovchenko JA. Energy loss of fast channeled particles. Nuclear Physics A. 1978;298(3):382–396. DOI: 10.1016/0375-9474(78)90140-9.
  14. Esbensen H, Fich O, Golovchenko JA, Madsen S, Nielsen H, Schiøtt HE, et al. Random and channeled energy loss in thin germanium and silicon crystals for positive and negative 2-15-GeV/c pious, kaons, and protons. Physical Review B. 1978;18:1039–1054.
  15. Burenkov AF, Komarov FF, Kumakhov MA. [Energy loss of charged particles in crystals]. Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki. 1980;78:1474–1489. Russian.
  16. Zyla PA, Barnett RM, Beringer J, Dahl O, Dwyer DA, Groom DE, et al. Review of particle physics. Physical Review D: Covering Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology. 2012;86(1):010001. DOI: 10.1103/PhysRevD.86.010001.
  17. Hubbell JH, Veigele WJ, Briggs EA, Brown RT, Cromer DT, Howerton RJ, et al. Atomic form factors, incoherent scattering functions, and photon scattering cross sections. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1975;4:471–538.
  18. Feranchuk ID, Gurskii LI, Komarov LI, Lugovskaya OM, Burgazy F, Ulyanenkov A. A new method for calculation of crystal susceptibilities for X-ray diffraction at arbitrary wavelength. Acta Crystallographica A. 2002;A58:370. DOI: 10.1107/s0108767302007997.
  19. Skoromnik OD, Feranchuk ID, Leonau AU, Keitel CH. Analytic model of a multi-electron atom. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2017;50(24):245007. DOI: 10.1088/1361-6455/aa92e6.
  20. Fano U. Inelastic collisions and the Moliere theory of multiple scattering. Physical Review. 1954;93(1):117–120.
  21. Nitta H. Semiclassical theory of dechanneling and the diffusion coefficients. Physica Status Solidi (b). 1985;131(1):75–86. DOI: 10.1002/pssb.2221310106.
  22. Landau LD, Lifshitz EM. Teoriya polya [Field theory]. 7th edition. Moscow: Nauka; 1988. 512 p. (Teoreticheskaya fizika; tom 2). Russian.
  23. Zommerfel’d A. Stroenie atoma i spektry. Tom 2 [Atomic structure and spectra. Volume 2]. Moscow: Gostekhizdat; 1956. 696 p. Russian.
  24. Ter-Mikaelyan ML. Vliyanie sredy na elektromagnitnye protsessy pri vysokikh energiyakh [The influence of the environment on electromagnetic processes at high energies]. Erevan: Izdatel’stvo AN ArmSSR; 1969. 343 p. Russian.
  25. Biryukov VM, Chesnokov YA, Kotov VI. Crystal channeling and its application at high-energy accelerators. Berlin: Springer; 2010. 219 p.
  26. Scandale W, Taratin AM. Channeling and volume reflection of high-energy charged particles in short bent crystals. Crystal assisted collimation of the accelerator beam halo. Physics Reports. 2019;815:1–107. DOI: 10.1016/j.physrep.2019.04.003.
  27. Otsuki E-Kh. Vzaimodeistvie zaryazhennykh chastits s tverdymi telami [Interaction of charged particles with solids]. Moscow: Mir; 1985. 280 p. Russian.
  28. Mazzolari A, Sytov A, Bandiera L, Germogli G, Romagnoni M, Bagli E. Broad angular anisotropy of multiple scattering in a Si crystal. The European Physical Journal C. 2020;80:63. DOI: 10.1140/epjc/s10052-017-5400-x.
  29. Tikhomirov VV. Simulation of multi-GeV electron energy losses in crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 1989;36(3):282–285. DOI: 10.1016/0168-583X(89)90670-8.
  30. Tikhomirov VV. Quantitative theory of channeling particle diffusion in transverse energy in the presence of nuclear scattering and direct evaluation of dechanneling length. The European Physical Journal C. 2017;77:483. DOI: 10.1140/epjc/s10052-017-5060-x.
Опубликован
2021-09-27
Ключевые слова: высокие энергии, релятивистская квантовая механика, каналирование частиц в кристаллах, изогнутые кристаллы, рассеяние частиц электронами, когерентное рассеяние, некогерентное рассеяние
Поддерживающие организации Автор признателен Еврокомиссии за поддержку грантом N-LIGHT GA 872196, профессору И. Д. Феранчуку за ценную информацию по расчетам атомной структуры, а также профессорам Ё. Оцуки и Х. Нитте за обсуждение проблем некогерентного рассеяния в кристаллах в Университете Васэда (Токио) в 1990–1991 гг.
Как цитировать
Тихомиров, В. В. (2021). Некогерентное рассеяние ультрарелятивистских каналированных частиц на электронах. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 49-61. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-3-49-61
Выпуск
№ 3 (2021): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика ядра и элементарных частиц

Copyright (c) 2021 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).