ЖЭТФ, 2012, том 141, вып. 3, стр. 427 431
© 2012
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОГЕРЕНТНОГО ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ СГУСТКОВ, ВЛЕТАЮЩИХ В ДВУГРАННЫЙ УГОЛ
А. В. Кольцов*, А. В. Серов**
Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии паук 119991, Москва, Россия
Поступила в редакцию 1 июня 2011 1".
В миллиметровом диапазоне длин волн измерены угловые распределения интенсивности переходного излучения, возбуждаемого сгустком релятивистских электронов, влетающих в двугранный угол. Угол образован пересечением двух проводящих плоскостей. Источником электронов являлся микротрон с энергией частиц 7.4 Мэв. Изучалось влияние направления инжекции частиц и величины раствора двугранного угла на угловое распределение интенсивности излучения. Измерения показали существенное отличие характера распределения излучения, возбуждаемого зарядом, при влете в двугранный угол от распределения при вылете из угла. При влете в двугранный угол сравнительно небольшое изменение величины раствора может приводить к качественным изменениям углового распределения излучения.
1. ВВЕДЕНИЕ
Особенности споктрально-угловых распределений переходного излучения на поверхностях раздела, имеющих форму двугранного угла, открывают новые возможности в традиционных применениях этого излучения. Некоторые свойства излучения в двугранном угле, образованном идеально проводящими плоскостями, рассмотрены в работах [1 4]. В работе [1] было рассмотрено переходное излучение заряженной частицы для случая, когда идеально проводящая поверхность образована двумя плоскостями, формирующими двугранный угол с раствором а = 90°. В работе [2] рассматривался более общий случай, когда плоскости пересекаются не только под прямым углом, а под углом о. = ж/т, где т целое число. Особенности переходного излучения в двугранном угле с произвольной величиной угла раствора (0 < а < 2тг) рассмотрены в работе [3].
Результаты экспериментального исследования переходного излучения релятивистских электронов, вылетающих из двугранного угла, представлены в работе [4]. В экспериментах были измерены
* Е-та11: koltsovifflx4u.lebedev.ru
**Е-таП: кего\г(йх4и.lebedev.ru
угловые распределения интенсивности излучения при различных углах раствора а и направлениях движения частиц после выхода из поверхности раздела, а также при различных положениях точки перехода на поверхности раздела. Эксперименты показали, что угловые распределения переходного излучения в двугранном угле более чувствительны к изменению траектории частиц, чем угловые распределения переходного излучения на плоской поверхности. Эта особенность излучения в двугранном угле может быть использована для повышения точности измерений параметров частиц.
Из теории переходного излучения в двугранном угле [5] следует, что для подавляющего большинства углов раствора о. и направлений движения частиц угловые распределения интенсивности для влетающих и вылетающих частиц имеют существенные различия. Только при углах раствора а = п/т, когда т четное число, пространственные распределения интенсивности излучения влетающих И";,?,^) и вылетающих И'оыХу?) частиц совпадают: И'г,?.^) = И'оы('р)- Когда т нечетное число, распределения интенсивности излучения влетающих и вылетающих частиц симметричны относительно плоскости, проходящей через ребро и биссектрису двугранного угла: \¥&(<р) = И^к(—¥>)•
Характер углового распределения излучения релятивистских частиц, вылетающих из двугранного угла, определяется в основном их энергией 7. Излучение сосредоточено под малыми углами ¡р « 7-1 к направлению скорости частицы.
Когда частица влетает в двугранный угол, при некоторых значениях а: интенсивность излучения (при любых значениях энергии частиц 7) имеет максимальное значение вдоль плоскостей двугранного угла.
В настоящей работе приведены результаты измерений углового распределения интенсивности переходного излучения в том случае, когда частица влетает в двугранный угол. Измерения проводились при различных растворах двугранного угла и различных положениях радиатора относительно направления движения электронов. Проведено сравнение с измеренными угловыми распределениями излучения частиц, вылетающих из двугранного угла.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема эксперимента приведена на рис. 1. Ось г направлена вдоль траектории частиц, а ось х лежит в горизонтальной плоскости. Грани двугранного угла показаны на рисунке сплошной жирной линией, а биссектриса угла штриховой. Для генерации излучения использовались электронные сгустки микротропа с энергией 7.4 Мэв. Электроны выводились из вакуумированного объема в атмосферу через алюминиевую фольгу толщиной 100 мкм на фланце микротрона. После вывода частицы пересекали радиатор, выполненный в виде двугран-
Рис. 1. Геометрия задачи
ного угла. Ребро двугранного угла располагалось на расстоянии / « 240 мм от фланца микротрона. Радиатор изготовлен из алюминиевой фольги толщиной 4 мкм, нанесенной на майларовую пленку. Фольга крепилась на прямоугольной рамке размером 480 х 300 мм, длинные стороны которой изгибались. При этом формировался двугранный угол, плоскости которого имели размеры 240 х 300 мм. Ребро двугранного угла было направлено параллельно оси у и пересекало траекторию частиц. Оставляя неподвижным ребро двугранного угла, но меняя положение граней угла относительно траектории электронов, можно было изменять направление инжек-ции пучка (угол Излучение регистрировалось приемником Б (кремниевый точечный диод Д-402), расположенным на расстоянии г « 250 мм от ребра. Входное окно диода имеет размеры 4x12 мм. Приемник дистанционно перемещался вдоль прямой, перпендикулярной биссектрисе двугранного угла. Это позволяло измерять угловое распределение интенсивности излучения IV((р) в горизонтальной плоскости. Измерения проводились на длине волны, приблизительно равной 8 мм.
Электронный сгусток при пересечении радиатора имел радиальный размер, приблизительно равный 5 мм, вертикальный размер 2 мм, длину 6 мм. При таких соотношениях между длиной волны и размерами сгустка основной вклад в мощность, излучаемую на длине волны 8 мм, вносит когерентная составляющая излучения. Следует отметить, что в экспериментах приемник регистрировал излучение, генерируемое двумя источниками переходного излучения. Первый источник область на фольге фланца, через которую электроны выводятся из микротрона. Излучение из этого источника попадало в приемник после отражения от граней угла. Второй источник область, в которой пучок пересекал поверхность двугранного угла. Поэтому интерференция излучения, вызванная когерентным характером излучения и наличием двух источников излучения, приводила к дополнительным модуляциям в распределении интенсивности.
Строгий учет влияния когерентности переходного излучения на угловое распределение провести достаточно сложно. В силу специфики ускорения электронов в микротроне фактор когерентности излучения имеет очень резкую зависимость от размеров сгустка [6]. А сами размеры определяются многими параметрами режима ускорения (температурой катода, током эмиссии, напряженностью ускоряющего поля). В эксперименте достаточно просто можно было регистрировать только поперечные разме-
ры сгустка, а измерение фазовой протяженности, а также распределения частиц в сгустке является нетривиальной задачей и в данном эксперименте не проводилось.
Для оценки влияния излучения, возбуждаемого при выводе пучка из микротрона, на угловое распределение переходного излучения были проведены дополнительные расчеты. Как известно [2], переходное излучение в двугранных углах с раствором о. = я/т может быть рассчитано методом зеркальных изображений. Согласно этому методу для описания поля, возбуждаемого зарядом в этом случае, все пространство делится гп плоскостями на 2т, двугранных углов. Все плоскости пересекаются по одной прямой и угол между соседними плоскостями равен а. Для того чтобы были выполнены граничные условия на всех плоскостях, нужно к исходному заряду е добавить 2гп — 1 фиктивных знакочередующихся зарядов ±в. Законы движения дополнительных зарядов должны быть такими, чтобы в любой момент времени все заряды располагались попарно симметрично относительно плоскостей. Вычисляя электромагнитные поля, возбуждаемые всеми зарядами в свободном пространстве, в той части пространства, которая соответствует двугранному углу, мы получим поля, возбуждаемые исходным зарядом, движущимся в двугранном угле с раствором а.
В нашем случае, когда в двугранном угле находился дополнительный источник излучения (область на фланце, через которую электроны выводятся из микротрона), рассчитывалось поле 2т зарядов, мгновенно стартующих в момент вылета реального заряда в из фланца микротрона и мгновенно останавливающихся в момент пересечения реальным зарядом ребра двугранного угла. Излучение заряда при таком характере движения рассматривалось в работе Тамма [7].
Были проведены измерения углового распределения интенсивности излучения для углов раствора а = 60°, 90°, 120°. Измерения выполнялись при различных углах иижекции Результаты измерений сравнивались с расчетами.
В первых двух случаях, когда раствор угла был равен а = п/т (а = тг/З в первом случае и а = = тт/2 во втором), расчет угловых распределений интенсивности был выполнен методом зеркальных изображений. Определялось угловое распределение поля, являющегося результатом интерференции излучения двух источников: фланца микротрона и двугранного угла.
Для всех условий эксперимента также рассчитывались распределения интенсивности излучения от
двугранного угла на бесконечном расстоянии от ребра. При этом не учитывалось излучение из фланца микротрона. Результаты расчетов также сравнивались с экспериментальными измерениями.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ
На рис. 2« точками показаны результаты измерения углового распределения интенсивности переходного излучения сгустка, влетающего в двугранный угол с раствором о. = тг/З. Частицы инжектировались под углом = —0.34. Сплошной кривой на этом рисунке представлена зависимость Цг{П((р), рассчитанная с помощью выражений, полученных в
0.6
1р, рад
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.