Когерентні ефекти при іонізації атомної К-оболонки релятивістськими ультракороткими електронними банчами у берилієвих та вуглецевих мішенях

Abstract

Дипломна робота присвячена дослідженню когерентних ефектів, які виникають при іонізації атомних К-оболонок ультракороткими банчами релятивістських електронів. Продемонстровано, що когерентні ефекти можуть призводити до значного збільшення перерізу іонізації К-оболонки. Це, у свою чергу, призводить до підсилення характеристичного рентгенівського випромінювання, викликаного мікробанчованим пучком за умови, що кількість мікробанчів лежить в певному діапазоні. Окрім цього, було розглянуто модель реалістичного розподілу кількості частинок, яка реалізовується на сучасних прискорювачах, наприклад, ARES SINBAD – трапецієподібний розподіл кількості частинок у поздовжньому напрямку, для якого функція розподілу має лінійне зростання та спадання на краях банча. Також було проведено розгляд періодично модульованої функції розподілу з огинаючою у вигляді трапеції, в якості моделі мікробанчованого пучка. В результаті цього було встановлено, що за умови, якщо краї банча, на яких має місце лінійне зростання та спадання функції розподілу, становлять менше декількох відсотків від загальної довжини банча різниця між трапецієподібним та рівномірним розподілами є нехтовною. Також було розглянуто еволюцію перерізу іонізації К-оболонки з зануренням пучка ультрарелятивістських електронів в речовину, в ході чого виявилося, що переріз виходить на стале значення, коли глибина занурення є значно більшою за довжину поглинання фотона з частотою, яка дорівнює пороговій частоті іонізації К-оболонки цієї речовини. Виявилось, що ця відстань, необхідна для виходу перерізу на стале значення, значно залежить від періоду мікробанчування. На основі результатів для перерізу іонізації К-оболонки було обраховано кутовий розподіл фотонів ХРВ, що виходять з мішені. В підсумку було показано, що основний внесок у формування фотонів дають приповерхневі шари речовини товщиною порядку 0,1 мкм, а не порядку довжини загасання ХРВ, яка є на порядок більшою для розглянутих мішеней, як для випадку, коли крізь мішень пролітає один електрон (тобто когерентні ефекти відсутні). Також з огляду на можливі обмеження застосовності, викликані інтенсивними полями, якими відбувається іонізація К-оболонки, було проведено розгляд застосовності методу, використаного в даній роботі. Було показано, що для параметрів пучків, досяжних на сучасних прискорювачах, ця умова виконується.

This thesis is devoted to the study of coherent effects arising from the K-shell ionization of atoms by ultrashort relativistic electron bunches. It is demonstrated that coherent effects can lead to a significant increase in the K-shell ionization cross-section. This, in turn, results in the enhancement of characteristic X-ray radiation (CXR) induced by a microbunched beam, provided that the number of microbunches falls within a specific range. Furthermore, a model of a realistic particle distribution achievable at modern accelerators, such as ARES SINBAD, was considered — a trapezoidal longitudinal distribution with linear rise and fall at the bunch edges. A periodically modulated distribution function with a trapezoidal envelope was also examined as a model for a microbunched beam. The results show that if the bunch edges, where the linear rise and fall of the distribution function occur, constitute less than a few percent of the total bunch length, the difference between trapezoidal and uniform distributions is negligible. The evolution of the K-shell ionization cross-section as a beam of ultrarelativistic electrons penetrates the matter was also investigated. It was found that the cross-section reaches a steady value when the penetration depth significantly exceeds the absorption length of a photon with a frequency equal to the K-shell ionization threshold of the material. Notably, the distance required for the cross-section to stabilize significantly depends on the microbunching period. Based on the results for the K-shell ionization cross-section, the angular distribution of CXR photons emerging from the target was calculated. It was shown that the main contribution to photon formation comes from near-surface layers of the material with a thickness of about 0.1 μm, rather than the CXR attenuation length, which is an order of magnitude larger for the targets under consideration, as is the case for a single electron (i.e., in the absence of coherent effects). Additionally, considering potential applicability limits caused by intense fields responsible for K-shell ionization, the validity of the method used in this work was analyzed. It was demonstrated that for beam parameters achievable at modern accelerators, this condition is satisfied.