Источник жестких гамма-квантов на основе излучения электронов и позитронов в поле плоскости атомных цепочек

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

Аннотация

Коррелированные столкновения быстрых частиц с атомами кристаллической решетки приводят к когерентному усилению их рассеяния и излучения. Эффективные кристаллические поля при этом на 3–4 порядка превышают поля магнитных ондуляторов и могут конкурировать с ними по интенсивности излучения при длинах кристаллов, меньших на 2–3 порядка и более, а по частоте излучения превосходить их в сотни, тысячи раз и более. В частности, основанные на излучении электронов в кристаллах источники гамма-квантов с энергией несколько гигаэлектронвольт уже много лет применяются для исследования свойств мезонов. Для повышения интенсивности излучения недавно предложено использовать источник на основе короткопериодических кристаллических ондуляторов и начата разработка технологии их производства. В противовес этому в настоящей работе предлагается источник того же спектрального диапазона на основе излучения в поле плоскостей, образуемых атомными цепочками кристалла, не подверженного никакой деформации. Данный режим движения частиц относительно кристаллической решетки, введенный Й. Линдхардом под названием string of strings, позволяет одновременно использовать когерентное усиление излучения интенсивными полями атомных цепочек и упорядоченное движение частиц в режиме плоскостного каналирования. В качестве примера рассматривается излучение электронов и позитронов с энергией 10 ГэВ в поле оси 111 и плоскости (110) кристаллов алмаза толщиной 100 –1000 мкм. Для расчета характеристик излучения применяется свободный от ряда распространенных приближений метод моделирования, прошедший десятилетнюю проверку в ряде экспериментов в Европейском центре ядерных исследований и на микротроне Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга. Результаты расчета показывают, что по интенсивности излучения предложенный источник не уступает источнику на основе короткопериодического кристаллического ондулятора, но при этом он может быть реализован без каких-либо принципиальных задержек.

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. Ter-Mikaelian ML. Vliyanie sredy na elektromagnitnye protsessy pri vysokikh energiyakh [Influence of the environment on electromagnetic processes at high energies]. Erevan: Publishing House of the Academy of Sciences of the Armenian SSR; 1969. 457 p. Russian.
  2. Baryshevsky VG. Kanalirovanie, izluchenie i reaktsii v kristallakh pri vysokikh energiyakh [Channeling, radiation and reactions in crystals at high energies]. Minsk: Publishing House of the Belarusian State University; 1982. 255 p. Russian.
  3. Lindhard J. [Influence of crystal lattice on motion of energetic charged particles]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1969;99(2):249–296. Russian. DOI: 10.3367/UFNr.0099.196910c.0249.
  4. Baryshevsky VG, Tikhomirov VV. Crystal undulators: from the prediction to the mature simulations. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2013;309:30–36. DOI: 10.1016/j.nimb.2013.03.013.
  5. Bellucci S, Maisheev VA. Radiation of relativistic particles for quasiperiodic motion in a transparent medium. Journal of Physics: Condensed Matter. 2006;18(33):S2083 – S2093. DOI: 10.1088/0953-8984/18/33/S24.
  6. Korol AV, Solov’yov AV, Greiner W. Channeling and radiation in periodically bent crystals. Berlin: Springer-Verlag; 2013. XI, 268 p. (Springer series on atomic, optical, and plasma physics; volume 69).
  7. Kostyuk A. Crystalline undulator with a small amplitude and a short period. Physical Review Letters. 2013;110(11):115503. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.115503.
  8. Corneliussen S. CEBAF set to double energy. CERN Courier. 2004;44(10):19–21.
  9. Zhu Xing-Long, Chen Min, Weng Su-Ming, Yu Tong-Pu, Wang Wei-Min, He Feng, et al. Extremely brilliant GeV γ-rays from a two-stage laser-plasma accelerator. Science Advances. 2020;6(22):eaaz7240. DOI: 10.1126/sciadv.aaz7240.
  10. Korol AV, Solov’yov AV. Atomistic modeling and characterization of light sources based on small-amplitude short-period periodically bent crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B, Beam Interactions with Materials and Atoms. 2023;537:1–13. DOI: 10.1016/j.nimb.2023.01.012.
  11. 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.
  12. Tikhomirov VV. [On the possibility of observing radiative self-polarisation and the production of polarised е+е– pairs in crystals at accessible energies]. Pis’ma v ZhETF. 1993;58(3):168–171. Russian.
  13. Guidi V, Bandiera L, Tikhomirov V. Radiation generated by single and multiple volume reflection of ultrarelativistic electrons and positrons in bent crystals. Physical Review A. 2012;86(4):042903. DOI: 10.1103/PhysRevA.86.042903.
  14. Tikhomirov VV. Quantum features of high energy particle incoherent scattering in crystals. Physical Review Accelerators and Beams. 2019;22(5):054501. DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.054501. Erratum in: Physical Review Accelerators and Beams. 2020;23(3):039901. DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.23.039901.
  15. Tikhomirov VV. Incoherent ultrarelativistic particle scattering by nuclei at planar channeling. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2020;1:83–94. Russian. DOI: 10.33581/2520-2243-2020-1-83-94.
  16. Tikhomirov VV. Incoherent ultrarelativistic channeling particle scattering by electrons. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2021;3:49–61. Russian. DOI: 10.33581/2520-2243-2021-3-49-61.
  17. Bandiera L, Bagli E, Guidi V, Mazzolari A, Berra A, Lietti D, et al. Broad and intense radiation accompanying multiple volume reflection of ultrarelativistic electrons in a bent crystal. Physical Review Letters. 2013;111(25):255502. DOI: 10.1103/PhysRev-Lett.111.255502.
  18. Mazzolari A, Bagli E, Bandiera L, Guidi V, Backe H, Lauth W, et al. Steering of a sub-GeV electron beam through planar channeling enhanced by rechanneling. Physical Review Letters. 2014;112(13):135503. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.135503.
  19. Bandiera L, Bagli E, Germogli G, Guidi V, Mazzolari A, Backe H, et al. Investigation of the electromagnetic radiation emitted by sub-GeV electrons in a bent crystal. Physical Review Letters. 2015;115(2):025504. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.025504.
  20. Bandiera L, Tikhomirov VV, Romagnoni M, Argiolas N, Bagli E, Ballerini G, et al. Strong reduction of the effective radiation length in an axially oriented scintillator crystal. Physical Review Letters. 2018;121(2):021603. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.021603.
  21. Yakimenko V, Alsberg L, Bong E, Bouchard G, Clarke C, Emma C, et al. FACET-II facility for advanced accelerator experimental tests. Physical Review Accelerators and Beams. 2019;22(10):101301. DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.101301.
  22. Wistisen TN, Mikkelsen RE, Uggerhøj UI, Wienands U, Markiewicz TW, Gessner S, et al. Observation of quasichanneling oscillations. Physical Review Letters. 2017;119(2):024801. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.024801.
  23. Apyan A, Avakian RO, Badelek B, Ballestrero S, Biino C, Birol I, et al. Coherent bremsstrahlung, coherent pair production, birefringence, and polarimetry in the 20–170 GeV energy range using aligned crystals. Physical Review Accelerators and Beams. 2008;11(4):041001. DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.11.041001.
  24. Taratin AM, Vorobiev SA. [Volume proton capture into channeling in bent crystal]. Journal of Technical Physics. 1985;55(8):1598–1604. Russian.
  25. Biryukov VM, Chesnokov YA, Kotov VI. Crystal channeling and its application at high-energy accelerators. Berlin: Springer; 2010. XIV, 219 p. (Accelerator physics). DOI: 10.1007/978-3-662-03407-1.
  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. Baier VN, Katkov VM, Strakhovenko VM. Elektromagnitnye protsessy pri vysokoi energii v orientirovannykh monokristallakh [Electromagnetic processes at high energy in oriented single crystals]. Skrinskii AN, editor. Novosibirsk: Nauka; 1989. 395 p. Russian.
  28. Tikhomirov VV. A benchmark construction of positron crystal undulator. arXiv:1502.06588v1 [Preprint]. 2015 [cited 2022 September 18]: [27 p.]. Available from: https://arxiv.org/abs/1502.06588.
Опубликован
2023-10-28
Ключевые слова: излучение, электроны, позитроны, гамма-кванты, релятивистские частицы, каналирование частиц в кристаллах, когерентное излучение частиц в кристаллах
Как цитировать
Тихомиров, В. В. (2023). Источник жестких гамма-квантов на основе излучения электронов и позитронов в поле плоскости атомных цепочек. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 65-74. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5583
Выпуск
№ 3 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика ядра и элементарных частиц

Copyright (c) 2023 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).