Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 7, с. 486-489
© 2015 г. 10 апреля
Рассеяние релятивистских электронов на тонкой биметаллической фольге
A.B. Кольцов, И. А. Машонов+, A.B. Серов^ Физический институт им. Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия +НИЯУ МИФИ, 115409 Москва, Россия
Поступила в редакцию 15 декабря 2014 г.
После переработки 9 февраля 2015 г.
Измерены углы преломления Od пучков электронов, прошедших через тонкие плоские биметаллические фольги, и углы отражения ipr пучков, отраженных этими фольгами. Источником электронов являлся микротрон с энергией частиц 7.4 МэВ. Эксперименты проведены с фольгами, состоящими из алюминия и свинца и из алюминия и меди. Слои алюминия имели толщину 54 мг/см2 (200 мкм), слой меди - 44мг/см2 (50мкм), слой свинца - 79мг/см2 (70мкм). Инжекция частиц проходила под углами а = 5° —30° к поверхности фольги. Измерения выполнены при различных ориентациях биметалла относительно траектории пучка. В одном случае частицы при своем движении через фольгу вначале пересекали слой алюминия, а затем слой металла, имеющего более высокую плотность (медь или свинец). В другом случае частицы инжектировались в слой меди или свинца, а затем пересекали слой алюминия. Обнаружено, что при некоторых углах инжекции изменение порядка следования слоев металла на противоположный существенно влияет на величины углов преломления и отражения. Аналогичные измерения были выполнены для электронов, падающих на рассеиватели из однородных металлов (алюминий, медь, свинец). Сравнение с экспериментами на биметаллической фольге позволяет оценить вклад каждого из слоев биметалла в преломление и отражение инжектируемого пучка.
DOI: 10.7868/S0370274X15070036
Угловые и энергетические спектры быстрых тяжелых заряженных частиц (протонов, а - частиц, мюонов и т.д.), прошедших через плоские рассеиватели конечной толщины при скользящем падении потока на их поверхность, исследовались в ряде теоретических [1,2] и экспериментальных [3,4] работ. Рассматривалось как прохождение, так и отражение протонов с энергиями 10-25 кэВ, падающих на формваровую пленку. Было обнаружено, что при пересечении поверхности максимум углового спектра прошедших частиц смещается относительно первоначального направления в область больших углов. Смещение максимума увеличивается при уменьшении угла инжекции.
Экспериментально исследовалось прохождение и легких релятивистских частиц (электронов с энергией 7.4 МэВ) через фольги из алюминия и меди [5]. Пересечение плоских мишеней релятивистскими электронами также вызывает преломление первоначальной траектории пучка в сторону увеличения угла между направлением максимальной интенсивности прошедшего пучка и выходной поверхностью ми-
e-mail: serov@x4u.lebedev.ru
шени. Были исследованы зависимости угла преломления от угла инжекции а. Углом преломления в,1 считался угол между первоначальной траекторией пучка и направлением максимальной интенсивности прошедшего пучка.
В настоящей работе экспериментально исследованы прохождение и отражение электронных пучков, падающих под различными углами а на плоские биметаллические поверхности. Схема эксперимента приведена на рис. 1.
В эксперименте использовались электронные сгустки микротрона с энергией 7.4 Мэв. Ток в импульсе длительностью 4 мкс составлял 40 мА. Ось г была направлена вдоль траектории частиц, ось х лежала в горизонтальной плоскости. Электроны выводились в атмосферу через алюминиевую фольгу толщиной 100 мкм на фланце микротрона М. За фланцем располагались свинцовый коллиматор С и фольга Р. Коллиматор толщиной 50 мм имел пролетное отверстие диаметром 3 мм. Фольга поворачивалась относительно вертикальной оси у на угол а. На рисунке показаны пучок е^, пересекающий мишень, и пучок ег, отраженный мишенью. За направление движения пучка частиц принималось
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: М - фланец микротрона, С - коллиматор, Р - фольга, РС - пропорциональная камера, е - инжектируемые электроны, - преломленные электроны, ег - отраженные электроны, а - угол инжекции, 6,1 - угол преломления, ц>т -угол отражения
то направление, под которым угловое распределение электронов имеет максимум. Пучок е,1 выходил из мишени под углом преломления 9,1 к направлению первоначального движения. Отраженный пучок ег двигался под углом <рг к плоскости мишени.
Пространственное распределение преломленных и отраженных электронов измерялось многопроволочной пропорциональной камерой РС. На рис. 1 точка, в которой прямая, проведенная через мишень, пересекает плоскость камеры, обозначена как хь- Из геометрии задачи следует, что на плоскости пропорциональной камеры координаты частиц е^, пересекающих мишень, удовлетворяют условию х > хь, а координаты отраженных частиц ег - условию х < хь-Положение хь определяется расстоянием Ь от мишени до детектора и углом инжекции а.
Конструкция камеры позволяла измерить распределение в горизонтальном (вдоль оси х) и в вертикальном (вдоль оси у) направлениях. Камера располагалась на расстоянии Ь = (180—300) мм от точки пересечения пучком фольги. Зная положения максимумов преломленных и отраженных частиц, мы определяли углы 9,1 и <рг. В проведенных экспериментах угол а между траекторией инжектированных частиц и поверхностью фольги изменялся от 5° до 30°. Измерения проводились с биметаллическими фольгами, изготовленными из алюминия и свинца и из алюминия и меди. Слои алюминия имели толщину (5д1 = 54мг/см2 (200 мкм), слой меди - ¿си = 44мг/см2 (50 мкм), слой свинца - (5рь = 79мг/см2 (70 мкм).
На рис. 2 приведены зависимости 6¿(а) для биметаллической фольги, состоящей из алюминия и свинца (рис. 2а) и из алюминия и меди (рис.2Ь). Подпи-
25
20
15
10
5
43 ф
20 15 10 5
Рис.2. Зависимости угла преломления 6,1 от угла инжекции а для биметаллов А1 + РЬ (а) и А1+Си (Ь). Подписи у кривых обозначают металл, его толщину в микронах и порядок следования в биметалле
си у кривых обозначают материал слоев биметалла, их толщину в микронах и порядок следования слоев на пути электронов, проходящих через фольгу. Видно, что в случае биметаллического рассеивате-ля угол, под которым движутся частицы после пересечения фольги, зависит от порядка следования слоев металла вдоль траектории пучка. При заданном угле инжекции а величина угла преломления 9,1 больше, если при движении электронов вначале пересекается слой металла с меньшей плотностью (в нашем случае алюминий). В случае фольги из алюминия и свинца (рис. 2а) разница в углах преломления Д9,1 = 9^А1+рь) ~~ ^<г(РЬ+А1) максимальна при малых углах инжекции. С увеличением а различие в углах преломления уменьшается. Для биметалла из алюминия и меди (рис. 2Ь) углы преломления различаются значительно меньше и разность Д0<г = 0<г(А1+Си) - 0(г(си+А1) слабее зависит от угла а.
I
(а)
___4_I_I_I_I_I_I_I_I_|_
5 10 15 20 25
5 10 15 20
а (с!ей)
488
А. В. Кольцов, И. А. Мамонов, А. В. Серов
Одной из характеристик рассеивателя является величина чу, равная отношению толщины мишени 6 [г/см2] к экстраполированному пробегу электронов в материале мишени Деж[г/см2] [6]. В наших экспериментах соотношения этих величин для слоев, составляющих биметалл, существенно различались. В биметалле А1 + РЬ, при пересечении которого последовательность расположения слоев в мишени существенно влияла на зависимость отношение ?7рь/??а1 = 2.02. В биметалле А1 + Си, в котором влияние последовательности слоев оказалось слабым, отношение ?7си/'?А1 = 1-05.
Влияние угла инжекции а на угол отражения <рг иллюстрирует рис. 3. Так же как и при измерении
ад ш ■О
•в <х>
15
U тЭ
РЬ 70+AI 200
М •8
AI 200 + Pb 70
10
а (deg)
15
20
Рис. 3. Зависимости угла отражения ц>т от угла инжекции а. Подписи у кривых обозначают металл, его толщину в микронах и порядок следования в биметалле
углов преломления, эксперименты были проведены на биметаллической фольге А1 + РЬ, по-разному ориентированной относительно электронного потока. Из рисунка видно, что порядок следования металлов в фольге существенно влияет на направление движения отраженного электронного потока.
Для оценки вклада каждого из слоев биметалла в углы преломления и отражения были проведены измерения с однородными фольгами из алюминия, меди и свинца, имеющими такую же толщину, как и слои в биметаллической фольге. Результаты этих экспериментов представлены на рис. 4: углы преломления в (а) - на рис. 4а, углы отражения <р(а) - на рис. 4Ь. Для всех материалов углы преломления максимальны при малых углах инжекции и стремятся к нулю при увеличении а.
Качественно полученные результаты можно объяснить следующим образом. При движении через фольгу электронный поток уменьшает свою плотность из-за торможения и рассеяния, приводящих к
Рис. ных
увеличению поперечных размеров пучка. Уменьшение числа частиц в потоке описывается соотношением N = Noexp(—l/Rex) ~ 1 — (l/Rex), а увеличение углового разброса пучка - Ав ~ \Д, где Щ - начальное число частиц, I - длина пути в фольге. Из геометрии задачи следует, что длина пути в фольге частицы, рассеянной на угол в, равна k = 6/ sm(a — в), если частица после рассеяния движется слева относительно начальной траектории (см. рис. 1). Если частица после рассеяния на угол в движется справа от начальной траектории, она проходит в фольге путь 1Г = 5/ sin(a + в). Кроме того, частицы, движущиеся слева, имеют большую вероятность быть отраженными, т.е. вылететь из фольги в полупространство, из которого осуществляется инжекция. Это также уменьшает плотность потока, движущегося слева.
Для углов инжекции и отражения, удовлетворяющих условиями 0 < а < 1 и 0 < 1, разницу в путях частиц можно записать в виде
Г)П
Al = h-lr~ö (1)
а- — в-
При малых углах инжекции (а = 5° —10°) длина пути частиц, отраженных вправо и влево, может различаться в 3-5 раз. Следовательно, плот-
РЬ 70
Си 50
AI 200
0 5 10 15 20
а (deg)
4. Зависимости ва(а) (а) и tpr(a) (b) для однород-металлов
ность частиц, отраженных вправо, существенно выше. Это приводит к смещению максимума в угловом распределении электронов в сторону больших углов. Следует заметить, что длина пути в фольге даже при малой ее т
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.