Особливості спектра випромінювання заряджених частинок, що рухаються в електромагнітному полі у вакуумі та непоглинаючих середовищах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми дисертації зумовлена необхідністю створення теорії тонкої структури спектрів випромінювання як окремих заряджених частинок, так і їхніх систем для пояснення відомих та передбачення нових явищ в області класичної теорії випромінювання. Такі дослідження важливі при розробці лазерів на вільних електронах, інших джерел електромагнітної енергії, детекторів електромагнітного випромінювання, пояснення астрофізичних ефектів і спектрів випромінювання заряджених частинок у плазмі та при проходженні крізь середовище.

Автором розвинута теорія випромінювання систем невзаємодіючих точкових заряджених частинок при їх русі у вакуумі та непоглинаючих (прозорих) ізотропних середовищах. Отримано спектральний розподіл потужності випромінювання рухомої зарядженої частинки.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток теорії випромінювання окремих заряджених частинок та їх систем при русі в електромагнітному полі у вакуумі та непоглинаючих ізотропних середовищах, визначення тонкої структури спектрального розподілу потужностей синхротронного, черенковського та синхротронно-черенковського випромінювань заряджених частинок, які рухаються по гвинтовій лінії.

Задачі, які необхідно розв'язати у дисертаційній роботі:

отримати інтегральні вирази для спектрально-кутових та спектральних розподілів потужності випромінювання систем заряджених частинок, які рухаються в постійних електричному і магнітному полях, в електричному ондуляторі у вакуумі та непоглинаючих ізотропних середовищах;

дослідити вплив фактора когерентності на тонку структуру спектра випромінювання двох електронів, що рухаються по гвинтовій лінії у вакуумі;

проаналізувати тонку структуру спектральних розподілів синхротронного, черенковського та синхротронно-черенковського випромінювань;

дослідити умови подібності спектрів випромінювання електронів, що рухаються по гвинтовій лінії в постійному магнітному полі у вакуумі та непоглинаючих діелектриках у низькочастотній області.

1. Аналіз теоретичних та експериментальних робіт, присвячених дослідженню спектрально-кутових та спектральних розподілів потужності випромінювання заряджених частинок, що рухаються в постійних магнітному та електричному полях, у електричному ондуляторі у вакуумі та середовищі

В цьому розділі вдосконаленим методом сили самодії Лоренца отримано також інтегральні вирази спектрально-кутових та спектральних розподілів потужності випромінювання заряджених частинок, що рухаються вздовж довільної заданої траєкторії у вакуумі та непоглинаючому ізотропному середовищі.

2. Спектральний та спектрально-кутовий розподіли потужності випромінювання окремого електрона при його русі по гвинтовій лінії у вакуумі та непоглинаючих ізотропних середовищах

У випадку малої поперечної складової швидкості електрона у вакуумі зі зростанням зміна спектрального розподілу потужності випромінювання має місце в основному на першій гармоніці. Друга гармоніка в спектрі практично відсутня. Верхня межа першої гармоніки істотно збільшується при зростанні величини .

Бачимо, що при збільшенні паралельної складової швидкості потужність випромінювання зростає.

У величинах індекс вказує залежність цих величин від швидкості електрона. Для компонент швидкості електрона верхня межа смуги першої гармоніки істотно зміщена відносно частоти обертання для даного випадку у бік високих частот.

Розрахунки показують, що для сталої поздовжньої компоненти швидкості при потужність випромінювання на кожній з перших гармонік, залежно від величини поперечної складової швидкості, зростає від нуля до максимального значення і потім спадає до нуля.

Умовою подібності спектрів випромінювання у вакуумі та середовищі є рівність. За цієї умови інтегральні потужності випромінювання рівні, а спектральні розподіли потужності випромінювання зміщені за частотою.

Вперше отримано спектральний розподіл потужності синхротронно-черенковського випромінювання для зарядженої частинки, що рухається в діелектрику ( та ) вздовж гвинтової лінії.

Для показника заломлення умови існування синхротронно-черенковського випромінювання будуть виконуватись, наприклад, для швидкостей , та , .

При сталому значенні повної швидкості потужність випромінювання залежить від величини компонент швидкості. У випадку, коли поперечна компонента швидкості електрона в діелектрику значно менша від величини повної швидкості, потужність синхротронно-черенковського випромінювання ерг/с неістотно відрізняється від потужності випромінювання Черенкова при прямолінійному русі ерг/с, що розрахована згідно зі співвідношенням яке справедливе для постійного показника заломлення . Цей висновок зрозумілий, оскільки при малому значенні поперечної компоненти швидкості спіраль матиме малий радіус та великий крок, що наближає її до прямої. Спектральний розподіл в цьому випадку вироджується в лінійну залежність від частоти.

При зростанні до значень на кривих спектрального розподілу потужності синхротронно-черенковського випромінювання з'являються злами. Частоти, на яких мають місце злами, можна визначити згідно зі співвідношенням.

3. Інтегральні вирази спектрально-кутових та спектральних розподілів потужності випромінювання систем точкових заряджених частинок, які мають різні маси та заряди і здійснюють рух вздовж довільної заданої траєкторії у вакуумі та непоглинаючих ізотропних середовищах

Для випадку тотожних заряджених частинок досліджено вплив фактора когерентності на перерозподіл енергії по частотах в спектрально-кутових та спектральних розподілах потужності випромінювання.

Величина у факторі когерентності визначає зміщення в часі електронів вздовж гвинтової лінії.

Розрахована за співвідношенням потужність випромінювання окремого електрона у вакуумі, ерг/с, узгоджується з потужністю ерг/с, знайденою шляхом інтегрування за частотою в функції спектрального розподілу.

Може мати місце ситуація, коли два електрони випромінюють як одна частинка із зарядом і масою . Це справедливо для випадку . Фактор когерентності в цьому випадку і два електрони випромінюють за одиницю часу в 4 рази більше, ніж окремий електрон.

Спектральний розподіл потужності випромінювання двох електронів суттєво залежить від зміщення в часі . Зокрема, для випадку, коли , максимуми функції спектрального розподілу потужності випромінювання двох електронів розташовані на частотах , , , a випромінювання відсутнє на частотах , .

Зі зростанням часового зміщення кількість максимумів та мінімумів функції спектрального розподілу потужності випромінювання зростає, що зумовлено зміною фактора когерентності.

На основній частоті функція спектрального розподілу потужності випромінювання двох електронів дорівнює нулю.

Якщо складові швидкостей електронів нерелятивістські (, ), то потужність випромінювання двох електронів може бути меншою, ніж одного, і залежить від розташування електронів на гвинтовій лінії. Для релятивістських складових швидкостей потужність випромінювання двох електронів ніколи не може бути меншою, ніж потужність випромінювання одного електрона.

Таким чином, у цьому розділі проведено аналіз тонкої структури спектральних розподілів потужностей випромінювання двох електронів, що рухаються вздовж гвинтової лінії у вакуумі з нерелятивістськими та релятивістськими швидкостями. Досліджено вплив фактора когерентності на перерозподіл енергії у спектрі випромінювання двох електронів.

4. Спектрально-кутовий та спектральний розподіли середньої потужності випромінювання систем заряджених частинок, які рухаються в електричному ондуляторі та в постійному електричному полі у вакуумі та середовищах

Встановлено, що для системи тотожних заряджених частинок, що рухаються одна за одною в електричному ондуляторі та у постійному електричному полі, перерозподіл енергії в її спектрі також визначається фактором когерентності.

Потужність випромінювання системи електронів, що рухаються в синусоїдальному електричному ондуляторі, виражена через спектрально-кутовий розподіл як суперпозиція гармонік. Якщо електронів рухаються один за одним з постійним часовим зміщенням, тоді (k = 1,2,…,N).

При швидкостях за рахунок ефекту Доплера гармоніки спектра випромінювання системи електронів в синусоїдальному електричному ондуляторі перетворюються в смуги.

Отриманий інтегральний вираз середньої потужності випромінювання систем заряджених частинок, що рухаються в постійному електричному полі, доводить, зокрема, існування випромінювання при одновимірному русі в електричному полі.

Висновки

інтегральний спектральний когерентність електрон

За допомогою аналітичних і числових методів отримані інтегральні співвідношення для спектрально-кутових та спектральних розподілів потужності випромінювання заряджених частинок, що рухаються вздовж різних траєкторій в непоглинаючих ізотропних середовищах та у вакуумі. Вказані розподіли вперше отримані за допомогою вдосконаленого метода сили самодії Лоренца. Вперше отримано спектральні розподіли потужності синхротронно-черенковського випромінювання електронів, що рухаються вздовж гвинтової лінії. Аналіз відомих і вперше отриманих розподілів потужності випромінювання дозволив зробити такі висновки:

1. Для малих значень складових швидкості електрона, який рухається по гвинтовій лінії у вакуумі, випромінювання в основному відбувається на першій гармоніці. Для сталої поздовжньої компоненти швидкості при потужність випромінювання на кожній з перших гармонік, залежно від величини поперечної складової швидкості, зростає від нуля (при ) до максимального значення і потім спадає до нуля (при ). При релятивістських значеннях поздовжньої компоненти швидкості () верхні границі смуг першої гармоніки зміщуються в область високих частот, що зумовлено впливом ефекту Доплера.

2. При виконанні умов подібності спектрів випромінювання окремих електронів, що рухаються в непоглинаючих діелектриках та у вакуумі, їх спектральні розподіли за відносною частотою збігаються, але випромінювання у вакуумі відбувається при нижчих частотах, ніж у діелектрику.

3. Вплив ефекту Доплера на особливості спектрального розподілу потужності синхротронно-черенковського випромінювання електронів найбільш суттєвий при .

4. Для системи тотожних заряджених частинок, які рухаються одна за одною вздовж гвинтової лінії, перерозподіл енергії в її спектрі визначається фактором когерентності, а спектрально-кутовий та спектральний розподіли потужності випромінювання залежать від характеру розташування електронів вздовж траєкторії.

5. На основній частоті функція спектрального розподілу потужності випромінювання двох електронів дорівнює нулю, якщо зміщення в часі між ними на гвинтовій лінії дорівнює (). Два електрони, які розташовані на траєкторії поряд, випромінюють як заряджена частинка із зарядом й масою , оскільки в цьому випадку електрони випромінюють когерентно.

6. Якщо складові швидкості електронів нерелятивістські, то потужність випромінювання двох електронів може бути меншою, ніж одного, і залежить від розташування електронів на гвинтовій лінії. Для релятивістських складових швидкостей потужність випромінювання двох електронів ніколи не може бути меншою, ніж потужність випромінювання одного електрона.

7. Для системи тотожних заряджених частинок, що рухаються одна за одною вздовж траєкторії в електричному ондуляторі та в постійному електричному полі, перерозподіл енергії в спектрі випромінювання також визначається фактором когерентності.

Література

Konstantinovich A.V., Golovach V.N., Guralyuk M.N., Konstantinovich I.A. Spectral and Angular Distributions of the Synchrotron Radiation of Charged Particles Moving in Constant Magnetic Fields // National Physics Conference. - Paper Abstracts.- Romanian Physical Society, Sibiu, Romania, September 21-24, 1994. - P. 153.

Konstantinovich A.V., Golovach V.N., Konstantinovich I.A. The Peculiarity of Radiation Spectrum of an Electron Spiraling in Constant and Homogeneous Magnetic Field in Vacuum // National Physics Conference. - Paper Abstracts. - Romanian Physical Society, Baia Mare, Romania, November-December 30-2, 1995. - P. 78.

Константинович А.В., Мельничук С.В., Константинович І.А., Жаркой В.П. Особливості спектра випромінювання системи електронів, які рухаються в ізотропному ідеальному феродіелектрику // Науковий вісник Чернівецького ун-ту. Вип. 32. Фізика. - Чернівці: ЧДУ, 1998. - С. 8-12.

Константинович І.А. Особливості спектра випромінювання системи електронів, які рухаються в ізотропному ідеальному феродіелектрику // Науковий вісник Чернівецького ун-ту. Вип. 40. Фізика. - Чернівці: ЧДУ, 1998. - С. 20-21.

Константинович А.В., Константинович І.А. Класична теорія випромінювання системи заряджених частинок, що рухаються вздовж довільної траєкторії у непоглинаючому ізотропному середовищі // Науковий вісник Чернівецького ун-ту. Вип. 66. Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧДУ, 1999. - С. 41-42.

Размещено на Allbest.ru