Коллективные эффекты в процессах рассеяния электромагнитного поля релятивистских электронов в конденсированных структурированных средах

Состояние исследований в области и актуальность темы диссертации. Область взаимодействия быстрых частиц и излучения с веществом всегда привлекала внимание исследователей, как многообразием физических явлений, так и широкими возможностями реализации важных приложений. Достаточно указать на такие ее разделы как физика высоких энергий [1−4], современная электронная микроскопия [5,6], генерация излучения в исключительно широком диапазоне энергий фотонов от СВЧ до десятков ГэВ [7−10], диагностика пучков заряженных частиц [11−13].

Особое место в обсуждаемой области физики занимает проблема коллективного отклика атомов среды на вносимое извне электромагнитное возмущение, поскольку в указанных условиях возможен существенный рост выходов электромагнитных процессов. Основное внимание в диссертации уделяется исследованиям рентгеновского излучения быстрых электронов в конденсированном веществе, направленным на решение двух проблем. Это исследование фундаментальных аспектов физики излучения частиц в веществе и разработка новых эффективных источников квазимонохроматического перестраиваемого рентгеновского излучения, альтернативных современным синхротронам, а также разработка новых энергодисперсионных методов диагностики атомной структуры твердых тел., основанных на обсуждаемом взаимодействии. Указанные проблемы тесно связаны, поскольку основное назначение новых источников рентгеновского излучения, альтернативных синхротронам, заключается в генерации зондирующего потока фотонов для рентгеноструктурной диагностики.

Активные фундаментальные исследования ведутся в области фотоники искусственных сред с необычными свойствами, в области физики поляризационного тормозного излучения (ПТИ, см. обзор [14]) сравнительно нового механизма излучения, сопутствующего традиционному тормозному излучению на атомах, в области обоснования и развития когерентных механизмов излучения в конденсированном веществе, таких как резонансное переходное излучение в периодических средах, излучение Смита-Парселла, дифракционное излучение, рентгеновское черенковское излучение в окрестности краев фотопоглощения вещества мишени, параметрическое рентгеновское излучение (ПРИ) в кристаллах и слоистых наноструктурах и т. д. (см. подробнее обзор[10]). Анализ возможностей диагностики атомной структуры вещества по характеристикам излучения быстрых электронов, пересекающих исследуемый образец, только начинается, хотя к настоящему времени уже получены обнадеживающие экспериментальные результаты, часть из которых будет интерпретирована в настоящей диссертации.

ПТИ является микроскопической основой перечисленных механизмов излучения (кроме черенковского), что создает основу для единого описания широкого круга электродинамических процессов электрон-фотонного взаимодействия в конденсированных средах. Поэтому изучение ПТИ имеет важное значение для развития физики излучения и ее приложений. Следует ' отметить, что к настоящему времени ПТИ исследовано детально как теоретически, так и экспериментально применительно к процессу столкновения быстрой частицы с отдельным атомом [14−16] (подробный, обзор последних достижений в физике ПТИ см. в [17]).С другой стороны, коллективные процессы в ПТИ исследованы значительно меньше, причем в основном в области нерелятивистских энергий налетающих частиц. Между тем, анализ таких процессов является физической основой для развития приложений в области диагностики атомной структуры вещества, поэтому значительная часть диссертации посвящена исследованию именно этой проблемы.

Непосредственно к обсуждаемой примыкает проблема физики ПРИкогерентной составляющей ПТИ в кристалле. Интерес к указанной проблеме вызван возможностью создания уникального по спектрально-угловой плотности источника рентгеновского излучения с плавно перестраиваемой линией. Несмотря на огромное количество работ по теме (см. например [1821] и обзор [22]), она еще далека от завершения. .Так, вплоть до последнего времени практически отсутствовала теория ПРИ в условиях сильной дисперсии диэлектрической проницаемости мишени. Как правило (см. например [24]), приводились более общие выражения для выхода ПРИ, учитывающие аномальную дисперсию в окрестности. краев фотопоглощения, на основе которых делались довольно общие выводы. Теоретических исследований, приводящих к новым эффектам, обусловленным именно дисперсией материала мишени, не проводилось (следует указать на экспериментальную работу в данном направлении [25]). Между тем, обсуждаемая задача тесно связана с одной из важнейших проблем ПРИ — повышением интенсивности источников, основанных на ПРИ, поэтому исследования влияния дисперсии на ПРИ представляются весьма важными и актуальными. Отмеченная задача составляет лишь часть возможных направлений поисков новых путей преодоления указанного недостатка ПРИ, затрудняющего практическое использование этого механизма излучения. Другие возможности (см., например, [26−28] и цитированную там литературу), а также связанные, в частности, с геометрией схем излучения, также представляют существенный интерес и рассматриваются в настоящей диссертации.

К числу нерешенных в обсуждаемой области проблем относилось также отсутствие интерпретации неожиданных результатов первых успешных измерений ПРИ вдоль скорости излучающего электрона [23]. В указанном эксперименте искался пик ПРИ вперед на фоне тормозного фона. При этом в некоторых измерениях вместо пика на тормозной подложке наблюдался провал. Многочисленные теоретические работы, посвященные анализу ПРИ вперед (см. например [29−31]) не описывают обсуждаемую аномалию. Ввиду принципиального значения искомого эффекта, поиск которого продолжался более 30 лет, интерпретация результатов выполненных измерений, является необходимой для надежного подтверждения факта обнаружения ПРИ вперед.

В последнее время большое внимание уделяется поиску и созданию методов контроля процессов рассеяния и излучения фотонов в кристалле посредством акустических волн (рассматривается влияние акустического возбуждения кристалла на тормозное излучение, рождение электрон-позитронных пар, параметрическое излучение и т. д., см. например [32−34]). Несмотря на большие успехи в управлении потоками рентгеновского излучения в возбужденных акустическими волнами кристаллах [35], в решении проблемы кристаллического ондулятора [36] и т. д., часть проблем оставалась нерешенной. Среди них отметим интерпретацию наблюденного эффекта усиления ПРИ в кристалле, подверженном воздействию акустической волны [37] То же можно сказать об эксперименте [38], в котором наблюдалось усиление отраженного колеблющимся кристаллом широкополосного расходящегося рентгеновского пучка. Анализ указанных и других проблем также проводится в настоящей работе.

В работе рассматриваются также процессы тормозного излучения и рассеяния в кристаллических и мелкодисперсных средах свободных рентгеновских лучей. Первые — ввиду их непосредственной близости к исследуемой теме разработки источников рентгеновского излучения, а вторые — в связи с исследованием в диссертации новых возможностей энергодисперсионной диагностики атомной структуры твердых тел (обзор ранних результатов содержится в [48], а последние подходы и достижения можно найти в [46]). С точки зрения создания источников квазимонохроматического рентгеновского излучения, основанных на процессах взаимодействия релятивистских электронов с веществом большой интерес представляет интерпретация результатов эксперимента [39], в котором наблюдалось интенсивное низкочастотное излучение пучка релятивистских электронов движущихся вдоль оси кристалла. Излучение наблюдалось в области частот, в которой излучение каналированных электронов подавлено и возникает необходимость количественного объяснения эксперимента.

Особый интерес имеет область исследований процессов взаимодействия частиц и излучения с веществом, связанная с разработкой новых методов диагностики атомной структуры конденсированных сред. В диссертации рассматриваются возможности конкретных реализаций новых методик энергодисперсионной диагностики (см. обзор [46]), развиваемой в настоящее время весьма активно в связи с постоянным ростом энергетического разрешения полупроводниковых детекторов. В данной области недостаточно изучены возможности смешанных подходов, использующих сочетание традиционных для энергодисперсионного подхода спектральных измерений с измерением ориентационных зависимостей выходов рассеянных широкополосных пучков первичного зондирующего излучения. В работе фактически обосновывается процедура измерения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, а сам процесс измерения был реализован в более ранних исследованиях [39] .Исследуются практически не изученные возможности нетрадиционного подхода, основанного на замене свободных квантов виртуальными фотонами кулоновского поля релятивистских электронов, пересекающих исследуемый образец.

Теоретическому анализу указанных и других проблем физики взаимодействия частиц и излучения с конденсированными средами и посвящена настоящая диссертация, значительная часть которой непосредственно связана с экспериментом.

Цель настоящей работы.

— развить физические представления и методы описания процессов когерентного рассеяния электромагнитного поля релятивистских электронов в веществе, разработать на их основе конкретные приложения в областях новых методов диагностики атомной структуры вещества и эффективных источников квазимонохроматического рентгеновского излучения, а также дать количественное объяснение ряда важных экспериментов в данной области.

Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие основные задачи:

— Разработать новые энергодисперсионные методы диагностики функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации и микрокристаллитов в наноматериале по размерам и форме.

— Разработать новый энергодисперсионный подход к диагностике поликристаллических материалов, основанный на использовании ПТИ релятивистских электронов.

— Развить теорию ПРИ в условиях сильной дисперсии диэлектрической проницаемости мишени и исследовать влияние такой дисперсии на эффект аномального поглощения в ПРИ.

— Исследовать ПРИ в режиме скользящего падения электронов на поверхность мишени и несимметричной геометрии и доказать возможность существенного увеличения интенсивности ПРИ.

— Исследовать числено-аналитическими методами на основе строгого кинетического подхода проблему соотношения вкладов процессов рассеяния реальных фотонов тормозного излучения и виртуальных кулоновских фотонов в формирование выхода ПРИ.

— Развить строгую кинетическую теорию процесса одновременного ПРИ вперед и дифракции тормозных квантов на системе атомных плоскостей, ответственных за ПРИ и предложить на е основе количественную интерпретацию первого успешного эксперимента по обнаружению ПРИ вперед.

— Развить простой кинематический подход к описанию дифракции расходящихся немонохроматических рентгеновских пучков в кристалле, возбужденном акустической волной, и получить на его основе объяснение результатов экспериментов по усилению ПРИ и дифрагированных рентгеновских пучков в акустически возбужденных кристаллах.

— Развить теорию низкочастотного рентгеновского излучения релятивистских электронов, движущихся вдоль оси кристалла в режиме случайных столкновений с цепочками атомов. Определить механизм излучения и рассчитать его спектр с учетом корреляций между последовательными столкновениями электрона с цепочками. Объяснить на основе развитой теории данные проведенных измерений.

Научная новизна полученных результатов.

— Разработан новый энергодисперсионный метод диагностики функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации.

— Разработан новый метод диагностики размера и формы нанокластеров в ультрамелкодисперсной среде.

— Впервые установлено резкое возрастание влияния эффекта аномального поглощения на ПРИ в условиях проявления эффекта ВавиловаЧеренкова. Показано, что в рассматриваемых условиях возможно существенное увеличение выхода ПРИ.

— Впервые предложен и теоретически исследован метод увеличения интенсивности ПРИ за счет подавления фотопоглощения в режиме скользящего падения электронов на поверхность мишени в несимметричной геометрии рассеяния.

— Развита теория когерентного излучения релятивистских электронов, движущихся в кристалле в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, учитывающая корреляции между последовательными столкновениями, интерференционный вклад переходного излучения и не имеющая ограничений на энергию излучающих электронов. На основе теории дана количественная интерпретация данных выполненных измерений.

— Впервые показано, что запрет на ПРИ вдоль скорости излучающего электрона, возникающий в геометрии рассеяния Брэгга, снимается в условиях реализации эффекта Вавилова — Черенкова.

— Развита теория ПРИ вдоль скорости излучающих электронов, описывающая в рамках единого подхода собственно ПРИ и дифракцию тормозного излучения. На основе развитой теории показано, что обнаруженный экспериментально эффект смены спектрального пика ПРИ вперед на фоне подложки тормозного излучения провалом объясняется конкуренцией указанных механизмов излучения, а также эффектом Тер — Микаэляна подавления тормозного излучения.

— Разработана кинематическая модель ПРИ в кристалле в присутствии акустической волны, на основе которой дано объяснение наблюдавшегося экспериментально эффекта усиления выхода излучения в конечный коллиматор.

— Предложен и обоснован метод диагностики атомной структуры поликристаллов с высоким энергетическим разрешением на основе использования пика ПТИ в направлении, противоположном скорости излучающего электрона.

Научная и практическая значимость полученных результатов.

— Разработанные и запатентованные методы диагностики мозаичности кристаллов, а также размеров нанокластеров в ультрамелкодисперсных средах найдут применение в области разработки и создания элементов рентгеновской оптики, а также создания новых материалов и устройств в области современных нанотехнологий. Эффективность предложенного метода диагностики мозаичности уже подтверждена экспериментально.

— Выявленные и обоснованные теоретически новые подходы к повышению интенсивности ПРИ, основанные на использовании схемы скользящего падения электронов на поверхность мишени, или модификации эффекта аномального поглощения при преодолении электроном черенковского барьера найдут применение в области создания эффективных источников квазимонохроматического рентгеновского излучения, альтернативных современным синхротронам.

Метод увеличения выхода ПРИ, основанный на геометрии скользящего падения, уже нашел экспериментальное подтверждение.

— Развитие предложенного и обоснованного метода диагностики атомной структуры вещества на основе ПТИ релятивистских электронов может привести к созданию методик с исключительно высоким пространственным разрешением.

Эффективность предложенного метода уже подтверждена экспериментально на примере диагностики поликристаллов.

— Разработанные методы описания ПРИ и дифракции расходящихся немонохроматических рентгеновских пучков в кристаллах, возбужденных акустическими волнами, найдут применение в области развития методов управления электромагнитными процессами в кристаллических средах.

— Результаты анализа влияния многократного рассеяния излучающих электронов на свойства ПРИ позволили выявить область параметров задачи, в которой справедливо упрощенное описание обсуждаемого процесса. Данный вывод, обосновывающий простой подход к интерпретации экспериментов, найдет применение в области фундаментальной физики ПРИ.

— Развитые в работе численно — аналитические методы описания сложных процессов ПРИ вперед с учетом дифракционного выбывания из конуса излучения ПРИ тормозного фона и рентгеновского КТИ надбарьерных электронов с учетом корреляций между последовательными случайными столкновениями электрона с атомными цепочками будут использованы при дальнейшем развитии теории излучения быстрых частиц в среде.

Достоверность полученных результатов обеспечивается, прежде всего, аналитической формой большинства из них, позволившей совершить предельные переходы к достоверным результатам, полученным ранее другими авторами. В работе использовались только апробированные методы теоретического анализа электродинамических процессов в веществе (классическая теория излучения, динамическая теория дифракции, метод кинетического уравнения в теории многократного рассеяния, методы функций комплексной переменной, асимптотические методы вычисления интегралов), что также повышает степень достоверности полученных результатов. Многие из результатов получили количественное, либо качественное экспериментальное подтверждение (теория метода определения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, теория метода диагностики поликристаллов с помощью ПТИ, теория метода увеличения интенсивности ПРИ в режиме скользящего падения электронов на поверхность кристалла, теория ПРИ в кристалле, возбужденном акустической волной, теория ПРИ вперед с учетом дифракционного выбывания из конуса ПРИ фотонов тормозного фона, теория рентгеновского КТИ надбарьерных электронов, учитывающая корреляции между последовательными случайными столкновениями электрона с атомными цепочками).

Положения, выносимые на защиту.

1 .Установленные закономерности рассеяния широкополосных расходящихся рентгеновских пучков в упорядоченных средах и основанные на этих закономерностях новые энергодисперсионные методы определения функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, а также размеров и формы нанокластеров в ультрамелкодисперсной среде.

2. Установленный механизм формирования аномального пика ПТИ релятивистских электронов в поликристалле в направлении, противоположном скорости излучающего электрона и основанный на этом пике энергодисперсионный метод диагностики поликристаллов с высоким энергетическим и пространственным разрешением.

3. Выявленные особенности формирования выхода ПРИ релятивистских электронов в периодических средах в условиях преодоления электроном черенковского барьера, а также скользящего падения электронов на поверхность мишени в несимметричной геометрии дифракции и основанные на этих особенностях методы повышения интенсивности ПРИ.

4. Развитая теория процесса ПРИ вдоль скорости излучающего электрона в условиях сильного поглощения, многократного рассеяния и дифракционного выбывания фотонов тормозного фона из конуса излучения ПРИ и количественное объяснение неожиданных результатов первого успешного эксперимента по обнаружению ПРИ вперед.

5. Разработанный метод количественного описания процесса генерации рентгеновского излучения релятивистскими электронами, движущимися вдоль оси кристалла в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, позволяющий учесть корреляции между последовательными столкновениями электрона с цепочками, а также интерференционный вклад переходного излучения, и обеспечивающий физическую интерпретацию данных выполненных измерений.

6. Теоретическое обоснование возможности радикального упрощения описания ПРИ в условиях сильного многократного рассеяния заменой неравновесного электромагнитного поля релятивистского электрона равновесным кулоновским, допустимой в области частот и энергий, в которой длина формирования тормозного излучения мала по сравнению с расстоянием, на котором угол рассеяния сравнивается с угловым масштабом равновесного поля.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Объем работы — 274 страницы, она включает в себя 54 рисунка.

Список литературы

состоит из 203 наименований.

Выводы к седьмой главе.

Результаты проведенных исследований позволяют сформулировать следующие физические выводы:

— Многократное рассеяние электронов, приводящее к расширению спектра КТИ в сторону меньших частот фотонов в обычных условиях излучения частиц с большими энергиями (сотни МэВ и более), обусловливает расширение спектра КТИ в сторону больших частот в области относительно малых энергий излучающих электронов (единицы и десятки МэВ).

Развитая теория объясняет имеющиеся данные измерений.

— Надбарьерная фракция пучка релятивистских электронов, движущихся в кристалле вдоль кристаллографической оси в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, интенсивно излучает в рентгеновском диапазоне. Корректное описание процесса (в частности, описание эффекта подавления излучения вследствие насыщения угла когерентного рассеяния на цепочках) требует учета корреляций между последовательными столкновениями.

Развитая теория позволяет дать интерпретацию данных выполненного эксперимента.

Выход тормозного излучения релятивистских электронов в текстурированном поликристалле может значимо отличаться от практически совпадающих выходов излучения в аморфной мишени и в поликристалле без текстуры. Данное обстоятельство необходимо учитывать при нормировке выхода когерентного излучения в твердотельных мишенях на аморфный фон Бете-Гайтлера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Рассмотрены процессы рассеяния широкополосных расходящихся рентгеновских пучков в неупорядоченных и упорядоченных конденсированных средах. На основе полученных результатов предложены новые энергодисперсионные методы диагностики атомной структуры вещества:

— показана возможность устранения искажений искомой функции радиального распределения атомов, присущих принципиально методу Цернике-Принса определения ближнего порядка в расположении атомов среды, переходом от угловых измерений к спектральным при использовании широкополосного первичного рентгеновского излучения с известным спектром;

— разработана модель процесса рассеяния рентгеновского излучения в ультрамелкозернистой среде, показывающая возможность измерения среднего размера и формы зерна на основе сравнения измеренного и рассчитанного спектров коллимированного рассеянного излучения в широком диапазоне частот, включающем несколько брэгговских рефлексов;

— разработана модель процесса рассеяния излучения в мозаичном кристалле, показывающая пропорциональность измеряемой ориентационной зависимости выхода жестко коллимированного рентгеновского излучения, рассеянного в брэгговский рефлекс, функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации, и показана возможность создания нового метода диагностики мозаичности;

— эффективность предложенного метода определения двумерной функции распределения зерен мозаичного кристалла по углам ориентации была подтверждена экспериментально.

2. Разработаны теоретические основы модифицированного N энергодисперсионного метода диагностики атомной структуры вещества, основанного на замене первичного зондирующего потока свободных рентгеновских квантов на виртуальные фотоны кулоновского поля релятивистских электронов, пересекающих исследуемый образец. На основе полученных результатов дана количественная интерпретация проведенных экспериментов и предложен ряд конкретных схем диагностики частично упорядоченных сред:

— построена модель рассеяния кулоновского поля электронов в поликристаллах, на основе которой поставлены и интерпретированы количественно эксперименты по измерению межплоскостных расстояний в ряде веществ;

— установлены уникальные спектральные свойства потока фотонов, возникающих при рассеянии в поликристалле кулоновского поля быстрых электронов в направлении, противоположном скорости электрона, и разработан энергодисперсионный метод диагностики поликристаллов с высоким энергетическим разрешением;

— показана возможность создания нового энергодисперсионного метода определения функции радиального распределения атомов конденсированного вещества, основанного на механизме поляризационного тормозного излучения электронов в направлении строго назад, свободного от искажений искомой функции, присущих аналогичному методу Цернике-Принса;

— разработан новый метод определения размеров кластеров в мелкодисперсной среде, основанный на установленной в работе зависимости положения максимума в спектре малоуглового пика, возникающего в процессе поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в исследуемом образце, от размера кластера;

— созданная модель поляризационного тормозного излучения релятивистских электронов в поликристалле подтверждена экспериментами, выполненными на электронном пучке с энергией 7 МэВ;

3. Установлено существенное влияние дисперсии диэлектрической проницаемости материала периодической мишени в окрестности краев фотопоглощения на свойства параметрического рентгеновского излучения релятивистского электрона:

— показано резкое возрастание роли эффекта аномального поглощения на выход ПРИ в условиях преодоления электроном черенковского барьера, что обусловлено возможностью образования точной структуры стоячей волны вследствие совпадения дисперсии первичного черенковского и вторичного дифрагированного фотонов (в подбарьерной области эффект мал, поскольку первичный виртуальный фотон и дифрагированный фотон не могут образовать точную структуру стоячей волны вследствие различия законов дисперсии),.

— выявлена возможность роста выхода рентгеновского черенковского излучения в слоистой периодической среде по сравнению с однородной средой за счет возникновения эффекта Бормана;

— показано, что запрет на излучение ПРИ в направлении скорости излучающего электрона, проявляющийся в геометрии рассеяния Брэгга за счет отрицательного знака групповой скорости, снимается в окрестности края фотопоглощения вследствие дисперсионного изменения групповой скорости.

4. Показано резкое влияние геометрии процесса излучения на характеристики ПРИ релятивистских электронов:

— исследовано ПРИ в условиях скользящего падения релятивистских электронов на поверхность кристалла при несимметричной дифракции и показана возможность резкого роста выхода ПРИ в рассматриваемом случае за счет увеличения эффективного пути электрона в поглощающей мишени, на котором генерируются фотоны, способные покинуть мишень;

— установлен длинный «хвост» в угловом распределении ПРИ в области малых углов ориентации скорости быстрого электрона относительно отражающей кристаллографической плоскости и показана возможность существенной монохроматизации брэгговских рефлексов в рассматриваемых условиях;

— теоретическое предсказание возможности увеличения выхода ПРИ в режиме скользящего падения электронов на поверхность мишени подтверждено экспериментально.

5. Исследованы процессы дифракциии излучения фотонов рентгеновского излучения в ориентированных кристаллах, решетка которых возбуждена акустической волной:

— показано, что трансформация формы углового распределения ПРИ, происходящая под воздействием периодической модуляции решетки кристаллической мишени акустической волной, может привести к заплыванию характерного провала в угловом распределении ПРИ, и, как следствие, к наблюдаемому росту выхода коллимированного ПРИ;

— показано, что сходные причины могут обусловить наблюдаемый эффект усиления выхода рентгеновского излучения, отраженного от кристалла, возбужденного акустической волной;

— предложена модификация кристаллического ондулятора, основанная на излучении надбарьерных электронов в потенциале периодически изогнутых акустической волной атомных цепочек, обеспечивает получение фотонов когерентного тормозного излучения с весьма высокой интенсивностью, превышающей интенсивность обычного КТИ за счет возможности движения электрона параллельно оси изогнутой цепочки на конечных участках траектории;

— разработанные модели ПРИ и процесса рассеяния немонохроматических расходящихся рентгеновских пучков в кристалле с возбужденной акустической волной решеткой позволяют предложить возможные объяснения проведенных экспериментов.

6. На основе строгой кинетической модели исследовано влияние многократного рассеяния на характеристики ПРИ релятивистских электронов в кристалле и показано, что ввиду малости длины формирования ПРИ (вследствие больших углов излучения) по сравнению с длиной' формирования тормозного излучения, на которой происходит излучение фотона вдоль скорости электрона и восстановление его равновесного кулоновского поля, кристалл рассеивает прежде всего неравновесное поле, состоящее из неразделившихся свободных тормозных фотонов и виртуальных кулоновских фотонов. Развитый формализм позволил получить следующие результаты:

— неравновесное поле мало отличается от равновесного, если угол 1 рассеяния электрона на длине формирования тормозного излучения не превышает характерный угловой масштаб равновесного поля, поэтому характеристики рассеянных равновесного и неравновесного полей оказываются близкими и, как следствие, учет влияния многократного рассеяния излучающих электронов на ПРИ можно проводить в рамках простой модели усреднения сечения ПРИ, рассчитанного в приближении прямолинейной траектории электрона, по расширяющемуся пучку таких траекторий;

— влияние многократного рассеяния резко возрастает в случае превышения, угла рассеяния на длине формирования над характерным углом раствора виртуальных кулоновских фотонов (в неравновесном случае размер поля резко возрастает, поэтому интенсивность ПРИ существенно превышает аналогичную величину в равновесном случае) и распределение излученных фотонов ПРИ нельзя рассчитывать в этом случае по упрощенной схеме;

— показано, что в процессе ПРИ вдоль скорости излучающего электрона возникает конкуренция двух тенденций: проявления провала на фоне тормозного излучения вследствие дифракции тормозных квантов и появления пика ПРИ вперед;

— развитая теория позволяет объяснить наблюдавшуюся экспериментально при уменьшении брэгговской частоты аномальную смену провала на фоне тормозной подложки в области частот со > усо0 пиком в области частот о) < усо0 влиянием эффекта Тер-Микаэляна, подавляющего тормозной фон в области частот со < уо)0.

7. Изучены физические причины особенностей в измеренных спектрах когерентного тормозного излучения релятивистских электронов в ориентированных кристаллах:

— показано, что многократное рассеяние электронов, приводящее к расширению спектра КТИ в сторону меньших частот фотонов в обычных условиях излучения частиц с большими энергиями (сотни МэВ и более), обусловливает наблюдавшееся экспериментально расширение спектра КТИ в сторону больших частот в области относительно малых энергий излучающих электронов (единицы и десятки МэВ);

— установлено, что надбарьерная фракция пучка релятивистских электронов, движущихся в кристалле вдоль кристаллографической оси в режиме случайных столкновений с атомными цепочками, интенсивно излучает в рентгеновском диапазоне, что позволяет объяснить результаты эксперимента с учетом корреляций между последовательными столкновениями электрона с цепочками. Корректное описание процесса (в частности, описание эффекта подавления излучения вследствие насыщения угла когерентного рассеяния на цепочках) требует учета корреляций между последовательными столкновениями.

Совокупность результатов проведенных исследований существенно развивает направление в физике взаимодействия излучения с конденсированным веществом, заключающееся в изучении коллективных эффектов в процессах рассеяния виртуальных фотонов кулоновского поля быстрых электронов атомами среды и направленное на разработки приложений в областях диагностики атомной структуры вещества и создания эффективных источников квазимонохроматического рентгеновского излучения.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному консультанту доктору физико-математических наук H.H. Насонову за многочисленные обсуждения и помощь в работе, а также основным соавторам д.ф.-м.н. В. А. Астапенко, д.ф.-м.н. В. И. Сергеенко, к.ф.-м.н. A.C. Кубанкину и к.ф.-м.н. H.A. Гостищеву за многолетнее сотрудничество.