مریم گل محمدی شهرستان روانسرکارشناس ارشدفیزیک اتمی ومولوکولی

Investigation of relativistic charged particles radiation and channel radiation

1- Radiation by charged particles in the medium
Almost simultaneously with the discovery of synchrotron radiation, other types of electromagnetic radiation sources were developed that are based on the interaction of ultra-relativistic electrons with solids. Types of electromagnetic radiation emitted by amorphous and crystalline materials when passing ultra-relativistic charged particles are: Cherenkov radiation, coherent and non-coherent bremsstrahlung, channeling radiation, transition radiation and parametric X-ray radiation.
In general, the sources of emission of electromagnetic waves are divided into two groups by the interaction of the charged particles with the external electric and magnetic fields or by their interaction with the material. The source of radiation in the first group, such as synchrotron radiation, bremsstrahlung, channeling radiation, or magnetic oscillator radiation, is the "self" of the charged particle, and radiation occurs when the particle is bent along the external field. In the second group, the emission of radiation is carried out by an environment that is polarized by the electric field of the passing charged particles. These include Cherenkov radiation, transition radiation, and parametric X-ray radiation.
In this paper, electromagnetic radiation generated by relativistic charged particles during acceleration motion in a crystalline undulator is considered as one of the first group. But before considering the radiation mentioned above, we must first consider the channeling radiation.

2- Channeling radiation
The channel motion phenomenon of charged particles in crystals and their channeling radiation were first predicted for ions in the 1960s and then investigated in various experiments in crystals of different structures. When the relativistic charged particle is transmitted between the planes by an undulator at the Lindhard’s critical angle relative to the crystal plates, the particle affected by the electric field between the plates has transverse oscillations in addition to the longitudinal motion in the crystal channel. This is called channeling fluctuation.
In other words, the particle moves due to the electric field between the plates in a curved and sinusoidal direction, and as a result of the curved trajectory of the charged particle, channeling radiation is emitted. In fact, when particles move through a channel between the crystal plates, they are trapped between the potential wells in the crystal plates and their transverse oscillatory motions occur in this potential well.
On the other hand, as particles move through the channels, multiple scatterings of particles with crystal atoms occur. These scatterings result in increased transverse energy of the particle. If the particle's transverse energy is below the potential well depth between the plates, the particle will remain in the channel and continue to channeling motion and also emit radiation.
The emission of channel radiation during the movement of relativistic charged particles in ordinary and non-curved crystals is a well-known phenomenon. But the classical and quantum theory of emission by ultra-relativistic charged particles in the periodically bent crystals under discussion is relatively new, and experimental data on this case is low.

One of the characteristics of the channeling radiation is that the radiation energy loss for the electrons when moving the channel is far greater than the energy loss for the positrons with the same energy because electrons move near the crystal lattice atoms and the positrons move away from the atoms. In addition, the intensity of radiation produced by electrons and positrons when moving through a channel in the crystalline object is greater than the intensity of their radiation in the amorphous object. This holds true for all energy ranges of charged particles (from several MeV to hundreds of GeV).

3- Radiation by ultra-relativistic particles in the periodically bent crystals

[Forwarded from Maryam.G]
asing the energy of coherent photons using the movement of charged ultra-relativistic particles through the bent plates of the crystals in the early 1980s was first proposed for ions and then developed for other ultra-relativistic charged particles in different types of the periodically bent crystals. The theory is based on the idea that the ultra-relativistic charged particle has two transverse motions when moving through the plates of an alternating sinusoidal crystal. As a result, the trajectory of the particle in a crystalline oscillators contains two elements. There are oscillations due to the action of the interplanar force, which called the channeling oscillations and there are oscillations due to the periodicity of the bendings, the undulator oscillations. According to the laws of classical electrodynamics, the spontaneous emission is associated with both of these oscillations. In a crystalline oscillators there appears, in addition to the well-known channeling radiation, the radiation of an oscillator type which is due to the periodic motion of channeling particles which follow the bending of the crystallographic planes.

Crystals with alternating curved plates are called crystalline undulator. This type of oscillator is then proposed for the positively charged relativistic particle beam, such as positrons, because positrons are repelled by the bending of the crystal plates from the nucleus of the crystal atoms because of their positive charge. So they move between the curved crystal plates, where there is no atomic nucleus and the electron density is less than the average value in a crystal. In this case, the probability of repeatedly scattering positrons by the collision with the nucleus of the crystal atoms is reduced, and the particles travel further along the channel. However, the production of high-energy positron beams and good quality to emit radiation in crystalline undulator remains problematic.
The issue of replacing electrons with positrons in crystalline undulator, their dechanneling length, and their specific motion in periodically bent crystals such as carbon and silicon has been the subject of much interest in recent years. After briefly examining the electromagnetic radiation emitted by ultra-relativistic charged particles in synchrotrons, deflecting magnets and crystals, we examine the reasons for using charged particle radiation in crystalline undulator.
The synchrotron radiation spectrum is continuous and has broad bandwidth. Consequently, the application of synchrotron radiation is difficult when narrow bandwidth radiation is required because in many industrial applications, high-frequency electromagnetic waves in the X-ray band with low bandwidth are needed. In linear magnetic oscillators, the radiation produced by relativistic electrons is coherent and the spectrum of radiation is narrow. The radiation spectrum also contains one or more peaks that are coordinates of the original radiation wavelength. Therefore, in cases where the industry requires low bandwidth and high frequency radiation, linear oscillator radiation is used. But on the other hand, the length of these oscillators reaches several meters. The production and fabrication of deflector superconducting magnets with a magnitude of 2-5 Tesla in a linear magnetic oscillator requires very sophisticated technology and is very expensive to produce. In order to reduce the cost of fabricating deflector magnets as well as to reduce the length of the oscillator, periodically bent crystal oscillators with a length of 100 micrometers can be used and obtained by various industrial methods.
Author: Maryam Golmohammadi MSc in Nuclear and Molecular Physic

بررسی تابش ذرات باردارنسبیتی وتابش کانالی

-1 تابش توسط ذرات باردارشتاب دار در محیط
تقریبأ همزمان با کشف تابش سنکروترون، انواع دیگری از منابع تابش امواج الکترومغناطیسی که بر پایه ی بر
هم کنش الکترون های فرانسبیتی با مواد جامد می باشند، توسعه یافتند. انواع تابش امواج الکترومغناطیسی به هنگام
عبور ذرات باردار فرانسبیتی در مواد آمورف و بلوری عبارت اند از: تابش چرنکوف، تابش ترمزی همدوس و
غیر همدوس، تابش کانالی، تابش گذار یا عبوری و تابش اشعه ایکس پارامتریک.
در حالت کلی، منابع گسیل تابش امواج الکترومغناطیسی در اثر برهم کنش ذرات باردار فرانسبیتی با میدانهای
الکتریکی و مغناطیسی خارجی و یا در اثر برهم کنش آنها با مواد، به دو گروه تقسیم می شوند. منبع گسیل تابش
» خود « در گروه اول مانند تابش سنکروترون، تابش ترمزی، تابش کانالی و یا تابش در نوسان ساز مغناطیسی
ذره ی باردار می باشد و تابش به هنگام پیمودن مسیر خمیده توسط ذره در میدان خارجی صورت می پذیرد. در
گروه دوم، گسیل تابش به وسیله محیطی صورت میگیرد که توسط میدان الکتریکی ذرات باردار عبوری، قطبیده
شده است. از این گروه می توان به تابش چرنکوف، تابش گذار یا عبوری و تابش اشعه ایکس پارامتریک اشاره
ذره باردار نسبیتی به هنگام حرکت شتاب دار » خود « در این مقاله تابش امواج الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط
در نوسان ساز بلوری مد نظر است که جزء گروه اول می باشد. اما قبل از بررسی تابش ذکر شده، ابتدا باید تابش
کانالی را مورد بررسی قرار دهیم.
-2 تابش کانالی
پدیده ی حرکت کانالی ذرات باردار در بلورها و تابش کانالی آنها ابتدا برای یونها در دهه 0691 میلادی پیش
بینی شد و سپس در آزمایشهای گوناگون در بلورهایی با ساختارهای متفاوت مورد بررسی قرار گرفت. زمانی که
ذره ی باردار نسبیتی توسط یک شتاب دهنده تحت زاویه ی لیندهارد نسبت به صفحات بلوری به میان کانال بین
صفحات فرستاده شود، ذره تحت تأثیر میدان الکتریکی بین صفحات علاوه بر حرکت طولی در کانال بلوری،
دارای نوسانات عرضی نیز می باشد که به آن نوسانات کانالی گفته می شود.
به عبارت دیگر ذره تحت تأثیر میدان الکتریکی بین صفحات در یک مسیر خمیده و سینوسی شکل حرکت می
کند و در اثر خمیده شدن مسیر حرکت ذره ی باردار، تابش کانالی گسیل می شود. در واقع ذرات به هنگام
حرکت کانالی در میان صفحات بلوری، اصطلاحأ گرفتار چاه پتانسیل بین صفحات بلوری می شوند و حرکت
نوسانی عرضی آنها در این چاه پتانسیل صورت می گیرد. از طرف دیگر، به هنگام حرکت ذرات دربین کانال
ها، برخوردهای چندگانه ی ذرات با اتم های بلور اتفاق می افتد. این برخوردها منجر به افزایش انرژی عرضی
ذره می شود. چنانچه انرژی عرضی ذره کمتر از عمق چاه پتانسیل بین صفحات باشد، ذره در کانال باقی می
ماند و به حرکت کانالی و همچنین گسیل تابش ادامه خواهد داد.
گسیل تابش کانالی به هنگام حرکت ذرات باردار نسبیتی در بلورهای عادی و غیر خمیده، پدیده ای کاملأ شناخته
شده می باشد. اما نظریه ی کلاسیکی و کوانتومی گسیل تابش توسط ذرات باردار فرانسبیتی در بلورهای خمیده
شده ی متناوب که موضوع مورد بحث می باشد، نسبتأ جدید است و داده های تجربی در این مورد تاکنون بسیار
اندک می باشد. از ویژگی های تابش کانالی میتوان به این نکته اشاره کرد که اتلاف انرژی تابشی برای الکترونها
به هنگام حرکت کانالی به مراتب بیشتر از اتلاف انرژی برای پوزیترون ها با همان انرژی است؛ زیرا الکترونها
در مجاورت اتم های شبکه بلوری و پوزیترونها به دور از اتمها حرکت می کنند. همچنین شدت تابش تولید شده
توسط الکترونها و پوزیترونها به هنگام حرکت کانالی در جسم بلوری بیشتر از شدت تابش آنها در جسم آمورف
می باشد. این نتیجه برای همه ی محدوده های انرژی ذرات باردار( از چندین مگا الکترون ولت تا صدها گیگا
الکترون ولت) برقرار است.
-3 تابش توسط ذرات باردار فرانسبیتی در میان صفحات خمیده شده ی بلورها
ایده ی افزایش انرژی فوتونهای همدوس با استفاده از حرکت ذرات باردار فرانسبیتی در میان صفحات خمیده شده
ی بلورها در اوایل دهه ی 0691 میلادی ابتدا برای یونها ارائه شد و سپس برای دیگر ذرات باردار فرانسبیتی
در انواع مختلف بلورهای خمیده شده ی متناوب توسعه داده شد.
اساس این نظریه براین ایده استوار است که به هنگام حرکت ذرات باردار فرانسبیتی در میان صفحات یک
بلورخمیده شده ی متناوب سینوسی شکل، ذره دارای دو نوع حرکت عرضی می شود. یکی از این حرکت های
عرضی مربوط به نوسانات حرکت کانالی است و حرکت عرضی دیگر مربوط به نوسانات عرضی در یک
نوسان ساز بلوری می باشد. بلورها با صفحات خمیده شده ی متناوب، نوسان سازهای بلوری نامیده
می شوند. در ادامه این نوع نوسان سازها برای باریکه ی ذرات نسبیتی با بار مثبت مانند پوزیترونها پیشنهاد
شد؛ به این دلیل که پوزیترونها به علت بار مثبتی که دارند، به هنگام حرکت میان صفحات بلورهای خمیده شده

از هسته ی اتمهای بلور دفع می شوند. بنابراین آنها بین صفحات بلور خمیده شده، یعنی جاییکه هسته های اتمی
وجود ندارد و چگالی الکترون کمتر از مقدار میانگین در یک بلور است، حرکت می کنند. در این صورت
احتمال پراکندگی مکرر کاتوره ای پوزیترونها در اثر برخورد با هسته ی اتمهای بلور کاهش می یابد و ذرات
فاصله ی بیشتری را در طول کانال طی می کنند. اما تولید باریکه ی پوزیترونهای با انرژی بالا و کیفیت مناسب
جهت گسیل تابش در نوسان سازهای بلوری همچنان با مشکل روبرو است.
موضوع جایگزینی الکترونها به جای پوزیترونها در نوسان سازهای بلوری، طول فرار آنها و بررسی حرکت
خاص آنها در بلورهای خمیده شده ی متناوب مانند کربن و سیلیسیم در سالهای اخیر همچنان مورد توجه مراکز
علمی گوناگون می باشد. پس از بررسی مختصر تابش امواج الکترومغناطیسی توسط ذرات باردار فرانسبیتی در
سنکروترونها، مغناطیس های منحرف کننده و بلورها به بررسی دلایل استفاده از تابش ذرات باردار در نوسان
سازهای بلوری می پردازیم.
طیف تابش سنکروترون بصورت پیوسته و دارای پهنای باند وسیع است. در نتیجه، کاربرد تابش سنکروترون را
در مواقعی که نیاز به تابش تکفام با پهنای باند باریک می باشد، با مشکل مواجه می کند؛ زیرا در بسیاری از
کاربردهای صنعتی امواج الکترومغناطیسی با بسامد بالا در محدوده ی اشعه ایکس و با پهنای باند کم مورد نیاز
در نوسان سازهای مغناطیسی خطی، تابش تولید شده توسط الکترونهای نسبیتی همدوس است و پهنای طیف تابش
آن باریک است. همچنین طیف تابش شامل یک یا چند قله است که هماهنگ هایی از طول موج اصلی تابش گسیل
شده هستند. بنابراین در مواردی که در صنعت به تابش هایی با پهنای باند کم و با بسامد خاص نیاز است، از تابش
مربوط به نوسان سازهای خطی استفاده می شود. اما از طرفی دیگر، طول این نوسان سازها به چندین متر می
5 تسلا در نوسان ساز مغناطیسی - رسد. همچنین تولید و ساخت مغناطیس های ابررسانای منحرف کننده با شدت 2
خطی به تکنولوژی بسیار پیچیده ای نیاز دارد و تولید آنها بسیار پرهزینه است. به منظور کاهش هزینه ی ساخت
مغناطیس های منحرف کننده و همچنین کاهش طول نوسان ساز می توان از نوسان سازهای بلوری خم شده ی
متناوب استفاده کرد که طول آنها در محدوده ی صد میکرومتر می باشد و از روشهای مختلف صنعتی به دست
می آیند.
نویسنده : مریم گل محمدی کارشناس ارشد فیزیک اتمی و مولکولی

    ارسال نظر
    برگشت به بالا