Письма в ЖЭТФ, том 109, вып. 9, с. 584 - 588

Излучение Вавилова-Черенкова в видимой и УФ областях спектра

при прохождении электронов с энергией 6 МэВ через кварцевую

пластинку

Е. Х. Бакшт⁺¹⁾, А. В. Вуколов^∗, М. В. Ерофеев^+∗, Г. А. Науменко^∗, А. П. Потылицын^∗, В. Ф. Тарасенко^+∗,

А. Г. Бураченко⁺, М. В. Шевелев^∗

⁺Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, 634055 Томск, Россия

^∗Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050 Томск, Россия

Поступила в редакцию 15 марта 2019 г.

После переработки 15 марта 2019 г.

Принята к публикации 1 апреля 2019 г.

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований спектров излучения

Вавилова-Черенкова и импульсной катодолюминесценции в ультрафиолетовой, видимой и ближней ин-

фракрасной областях при прохождении через пластинки из кварца GE-014 и КУ1 пучка электронов

с энергией 6 МэВ. Спектр излучения Вавилова-Черенкова зарегистрирован в ультрафиолетовой и ви-

димой области и показано его изменение при вариации угла между плоскостью пластинки и направ-

лением пучка электронов. Приведены данные об условиях регистрации спектров излучения Вавилова-

Черенкова при возбуждении плоскопараллельных пластинок из кварца, сапфира и алмаза. Показано,

что полное внутреннее отражение в кристаллах с высоким коэффициентом преломления накладыва-

ет определенные условия на геометрию вывода излучения Вавилова-Черенкова в вакуум при энергиях

электронов более 500 кэВ.

DOI: 10.1134/S0370274X19090029

Введение. Исследованиям, направленным на по-

При генерации ИВЧ заряженная частица, прохо-

лучение управляемого термоядерного синтеза, уде-

дящая через диэлектрик со скоростью v, превышаю-

лялось и уделяется очень большое внимание. Созда-

щей скорость света в среде c/n (n - показатель пре-

ются крупномасштабные установки, в которых фор-

ломления), испускает кванты света с волновыми век-

мируют высокотемпературную плазму и стараются

торами, образующими с вектором скорости частицы

увеличить время ее удержания. Одной из разновид-

угол [11]:

ностей таких установок являются установки типа

θ_ch = 1/βn, β = v/c.

(1)

ТОКАМАК [1]. Однако в последние годы возросли

В разработанных для установок типа ТОКАМАК

сложности с нагревом плазмы в таких установках

датчиках часто используют радиаторы из алмаза

из-за повреждения стенок рабочей камеры ТОКА-

[5-7], которые покрывают металлическими пленка-

МАКов убегающими электронами (УЭ), а также с

ми, а излучение от радиатора по световоду переда-

влиянием УЭ на нагрев плазмы [1-4]. Для диагности-

ется к ФЭУ. Электрические сигналы с ФЭУ реги-

ки УЭ разрабатываются различные методы и датчи-

стрируются синхронно с током, протекающим через

ки, в том числе датчики, регистрирующие электроны

нагреваемую плазму, а также с сигналами от дру-

с высокой энергией по интенсивности и длительно-

гих датчиков, например, от детекторов рентгенов-

сти импульсов излучения, возникающего в веществе

ского излучения. Однако в большинстве известных

под действием пучка [1-7]. В установках типа ТО-

работ по созданию и применению датчиков ИВЧ на

КАМАК генерируются УЭ с энергиями от десятков

основе алмаза, см., например, [5,6], отсутствуют дан-

кэВ до десятков МэВ, см., например, [5, 6]. Извест-

ные о спектрах регистрируемого излучения в ультра-

но, что в кристаллах при таких энергиях возника-

фиолетовой (УФ), видимой и ближней инфракрас-

ет как излучение Вавилова-Черенкова (ИВЧ), так и

ной (ИК) областях спектра. Только в недавней ра-

импульсная катодолюминесценция (ИКЛ) [5-10].

боте [7] был приведен спектр излучения кристаллов

алмаза, максимум которого был сдвинут в длинно-

волновую область спектра. Однако, как следует из

¹⁾e-mail: BEH@loi.hcei.tsc.ru

работ [8-10], такой спектр отличается от спектра

584

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 9 - 10

2019

Излучение Вавилова-Черенкова в видимой и УФ областях спектра...

585

Рис. 1. (Цветной онлайн) Схема экспериментальной установки (a), а также осциллограмм тока пучка (b), зарегистри-

рованного с помощью коллектора, и излучения кварцевой пластинки в видимой области спектра (чип MicroSC-60035)

под воздействием тока пучка (c)

ИВЧ. Как известно из теории [11], интенсивность

скорости электронного пучка часть конуса ИВЧ бу-

ИВЧ увеличивается с уменьшением длины волны.

дет выходить в вакуум под углом ϕ, как показано на

При этом с ростом кинетической энергии электро-

рис. 1а:

нов существенно увеличивается интенсивность ИВЧ.

ϕ = ψ + arcsin[ncos(θ_ch + ψ)].

(2)

Соответственно, выделить ИВЧ на фоне импульс-

В геометрии, показанной на рис.1а для не расхо-

ной катодолюминесценции (ИКЛ) наиболее легко по

дящегося электронного пучка, вывод ИВЧ из кварце-

спектру регистрируемого излучения. Кроме того, от-

вой мишени в вакуум (или в воздух) возможен толь-

личительными признаками ИВЧ являются длитель-

ко для углов наклона ψ < 86^◦. Так, например, для

ность импульса, так как она совпадает с длительно-

угла наклона ψ = 70^◦ максимальный выход ИВЧ со-

стью импульса тока пучка, а также угол распростра-

ответствует углу вывода ϕ = 29^◦ (см. формулу (2)).

нения [11-13].

Если выбрать угол наклона ψ = 43^◦, что соответ-

“Собственная” угловая ширина конуса ИВЧ опре-

ствует углу θ_ch = 47^◦, то ИВЧ будет выходить из

деляется соотношением

кварцевой пластины без преломления, т.е. под углом

ϕ = ^π2 - θ_ch = 43^◦.

Δθ₀

∼

Цель данной работы - исследовать спектры из-

θ_ch

лучения облучаемого электронным пучком кварца в

где λ - длинна волны ИВЧ, Т - толщина мишени.

УФ, видимой и ближней ИК области спектра при

Очевидно, что электронный пучок будет рассеивать-

энергии электронов 6 МэВ и экспериментально заре-

ся в материале мишени, что с неизбежностью бу-

гистрировать влияние угла наклона кварцевой пла-

дет приводить к “уширению” конуса излучения. Дру-

стинки на интенсивность излучения. Для сравнения

гой причиной уширения является начальная расхо-

с расчетными и экспериментальными спектрами, по-

димость электронного пучка.

лученными в данной работе, спектр излучения из ра-

Для сравнительно низких энергий электронов

боты [7] будет приведен ниже.

(E_e ≤ 50 кэВ, β < 0.44) процесс многократного рассе-

Экспериментальная установка и методики

яния приводит к тому, что фотоны ИВЧ испускаются

измерений. Исследования проводились на установ-

в широком интервале углов даже в тонких радиато-

ке, схема которой представлена на рис. 1a.

рах. По мере увеличения энергии электронов мно-

Эксперимент проводился на выведенном элек-

гократное рассеяние уменьшается и угловое распре-

тронном пучке микротрона ТПУ (Томского поли-

деление ИВЧ становится более направленным. Так,

технического университета) [14]. Средний ток при

например, для энергии электронов E_e = 1 МэВ угол

энергии электронов 6 МэВ и длительности импуль-

многократного рассеяния 〈θ_ms〉 в кварцевой пластине

са 4 мкс составлял 25 мА. При этом пучок состоял из

толщиной 50 мкм не превышает 25^◦, тогда как угол

10⁴ сгустков с длительностью каждого около 10 пс

ИВЧ θ_ch = 47^◦. При дальнейшем росте энергии элек-

и подавался на образцы с частотой 3 Гц. Расходи-

тронов, чтобы вывести ИВЧ из пластины, необхо-

мость пучка после вывода из камеры соответство-

димо выбирать подходящую геометрию. Только при

вала θe ∼ 6◦. Форма импульса тока пучка, изме-

наклоне пластины на угол ψ относительно вектора

ренная с помощью коллектора, показана на рис. 1b,

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 9 - 10

2019

586

Е. Х. Бакшт, А. В. Вуколов, М. В. Ерофеев и др.

Рис. 2. Угловое распределение ИВЧ в среде и в вакууме (a) и зависимость угла ϕ от наклона пластины (b)

а излучение кварцевой пластинки под воздействи-

Для экспериментов использовались плоскопарал-

ем тока пучка - на рис.1c. Длительность отдельных

лельные пластинки из кварца марки GE-014 толщи-

электронных сгустков и соответствующих импульсов

ной 2.18 мм и КУ1 толщиной 8, 8.4 и 10 мм. Выбор

ИВЧ была меньше временного разрешения использу-

данных сортов кварца был обусловлен малой интен-

емой в данных экспериментах аппаратуры. Измере-

сивностью ИКЛ в них и малым поглощением в об-

ния с пикосекундным временным разрешением пла-

ласти длин волн 200-800 нм. Основные эксперимен-

нируется провести в будущем.

ты были проведены с пластинкой из кварца марки

В среде угловое распределение ИВЧ обладает

GE-014, которая имела наименьшую толщину. Для

азимутальной симметрией (см. рис.2а) и в пренебре-

указанной толщины угол многократного рассеяния

жении “собственной” шириной Δθ₀ может быть оце-

θ_ms

≈ 23^◦. Спектры излучения регистрировались

нено как:

спектрометром Ocean Optics HR2000+, который был

√

удален от траектории пучка электронов и защищал-

Δθ_t ≈

θ^2ms + θ^2e,

(3)

ся от их попадания, а также от рентгеновского излу-

где θ_ms - среднеквадратичный угол многократного

чения. Отметим, что рентгеновское излучение имело

рассеяния на длине Т/2, θ_е - начальная расходи-

наибольшую интенсивность у ускорителя и рядом с

мость пучка. В приближении Δθ_t → 0 соотноше-

облучаемой пластинкой и траекторией пучка элек-

ние (2) дает однозначную связь между углом вывода

тронов. Световое излучение от образцов к спектро-

ИВЧ в вакуум и наклоном мишени ψ (см. рис.2b),

метру подавалось с помощью световода длиной 2 м,

причем для любого ψ выводится только часть кону-

который также защищался от рентгеновского излу-

са ИВЧ. Из-за уширения конуса Δθ_t (3) “жесткая”

чения и прямого попадания пучка электронов.

связь между углами ψ и ϕ нарушается, однако, если

Результаты и их обсуждение. Спектры излу-

под углом ϕ подразумевается угол, соответствующий

чения пластинки из кварца GE-014 при различных

максимуму выхода ИВЧ, то график на рис. 2b иллю-

углах между поверхностью плоскопараллельной пла-

стрирует эту связь.

стинки и направлением потока электронов приведе-

ИВЧ в кварце имеет наименьший угол θ_ch, что

ны на рис. 3.

облегчает его вывод из плоскопараллельной пластин-

Положение световода, передающего излучение от

ки. Поэтому в данной работе основное внимание бы-

кварцевой пластинки к спектрометру при изменении

ло уделено исследованию ИВЧ в кварце. Образцы ал-

угла ψ, не менялось. Этот угол между осью свето-

маза, которыми мы располагали, имели малые раз-

вода и нормалью к направлению пучка электронов

меры, а образцы из сапфира при энергии электро-

в пучке составлял ϕ = 27^◦. Из рисунка 3 видно, что

нов пучка 6 МэВ темнели под действием электрон-

распределение энергии излучения в спектре изменя-

ного пучка и рентгеновского излучения. Кроме того,

ется в зависимости от угла между плоскостью пло-

как мы уже отмечали, ранее спектры ИВЧ в алмазе

скопараллельной пластинки из кварца и направле-

и сапфире нами были зарегистрированы при энергии

нием потока электронов в пучке. При угле ψ ≈ 70^◦ в

электронов до 200 кэВ [8-10].

УФ области наблюдается наибольшая спектральная

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 9 - 10

2019

Излучение Вавилова-Черенкова в видимой и УФ областях спектра...

587

отнести к ИКЛ. Данное предположение подтвержда-

ет импульс излучения в видимой области спектра,

приведенный на рис. 1c. Данный импульс был заре-

гистрирован с помощью чипа MicroSC-60035. Видно,

что основная часть импульса излучения повторяет

форму тока пучка. Однако после прекращения уско-

рения излучение не прекращается, а продолжается

еще около 5 мкс.

Полоса в области 450-600 нм, по-видимому, обу-

словлена свечением световода под действием рентге-

новского излучения. Подобная полоса наблюдалась

нами не только при облучении пластинок из квар-

ца, но и при облучении пластинок из искусственного

алмаза IIa типа и сапфира.

На рисунке 3a также приведен спектр излуче-

ния, который приведен в работе [7] для алмаза. Так

как интенсивность излучения при энергии электро-

нов 2.1 МэВ уменьшается при длинах волн короче

600 нм, то это излучение нельзя относить к ИВЧ.

Возможно, в работе [7] использовались кристаллы

алмаза с большим поглощением в УФ и видимой об-

ластях спектра или основная часть ИВЧ поглоща-

лась световодом.

На рисунке 3b приведен расчетный спектр ИВЧ,

нормированный по интенсивности в области ≈ 350 нм

к спектру, полученному при угле между пластинкой

из кварца и пучком электронов ψ = 70^◦. Интенсив-

ность излучения на обоих спектрах в области короче

450 нм возрастает с уменьшением длины волны. Этот

Рис. 3. (Цветной онлайн) Спектры излучения пластин-

ки из кварца GE-014 при различных углах ψ между

факт, как и зависимость интенсивности излучения

поверхностью плоскопараллельной пластинки из квар-

от угла между плоскостью пластинки из кварца и

ца и направлением потока электронов (1 - ψ = 12^◦, 2 -

направлением пучка электронов, рис. 4, однозначно

46^◦, 3 - 54^◦, 5 - 70^◦, 6 - 78^◦, 7 - 86^◦), а также спектр

доказывает регистрацию в данной работе спектров

излучения из работы [7] (4) и расчетный спектр ИВЧ

для энергии электронов 6 МэВ (8). Спектры 5 и 8 нор-

мированы по интенсивности на длине волны 350 нм

плотность энергии излучения, регистрируемая спек-

трометром. Подобный спектр ИВЧ следует из рас-

четов по стандартной формуле из [11] с учетом дис-

персии показателя преломления, кривая 8 на рис. 3b.

Соответствие ИВЧ регистрируемому в УФ области

излучению подтверждает изменение его спектра от

угла между пластинкой и потоком электронов. При

угле поворота кварцевой пластинки ψ ≈ 70^◦ относи-

тельно направления электронного пучка обеспечива-

лась наибольшая эффективность вывода ИВЧ, что

хорошо согласуется с оценкой по формуле (2), из ко-

торой следует ϕ = 29^◦. При углах, существенно боль-

ших и меньших оптимального, см. спектры 1 и 7 на

Рис. 4. Зависимость интенсивности излучения на длине

рис. 3, ИВЧ не регистрировалось. Излучение в об-

волны 320 нм от угла между плоскостью пластинки из

кварца и направлением потока электронов

ласти длин волн 450-600 нм (спектры 1 и 7) можно

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 9 - 10

2019

588

Е. Х. Бакшт, А. В. Вуколов, М. В. Ерофеев и др.

ИВЧ. Следует отметить, что изменение угла накло-

B. Pourshahab, M. R. Abdi, A. Sadighzadeh, and

на на 25^◦ (от ψ = 70^◦ до ψ = 45^◦) приводит к умень-

C. Rasouli, Phys. Plasmas 23(7), 072501 (2016).

шению интенсивности в 5 раз, но не до нуля, что

R. J. Zhou, L. Q. Hu, Y. Zhang, G. Q. Zhong, S.Y. Lin,

объясняется шириной конуса ИВЧ Δθ_t = 26^◦.

and The EAST Team, Nucl. Fusion 57(11), 114002

(2017).

Данная зависимость была получена с пластин-

кой из кварца GE-014. Отметим,что при воздействии

M. Rubel, S. Brezinsek, J. W. Coenen, A. Huber,

A. Kirschner, A. Kreter, P. Petersson, V. Philipps,

пучком электронов на пластинки из кварца КУ1

A. Pospieszczyk, B. Schweer, G. Sergienko, T. Tanabe,

под подходящим углом также было зарегистрирова-

Y. Ueda, and P. Wienhold, Matter Radiat. Extremes

но ИВЧ.

2(3), 87 (2017).

Выводы. Таким образом, в данной работе

L. Jakubowski,

M. J. Sadowski, J. Zebrowski,

впервые был зарегистрирован спектр излучения

M. Rabinski, K. Malinowski, R. Mirowski, Ph. Lotte,

Вавилова-Черенкова в УФ и видимой областях

J. Gunn, J.-Y. Pascal, G. Colledani, V. Basiuk,

при возбуждении пластинок из кварца GE-014 и

M. Goniche, and M. Lipa, Rev. Sci. Instrum. 81,

КУ1 пучком электронов с энергией ≈ 6 МэВ. По-

013504 (2010).

казано, что изменение угла между поверхностью

M. J. Sadowski, Nukleonika 56(2), 85 (2011).

плоскопараллельных пластинок и направлением

F. Bagnato, A.

Romano, P. Buratti, A. Doria,

пучка электронов существенно влияет как на ин-

L. Gabellieri, E. Giovenale, A. Grosso, L. Jakubowski,

тенсивность ИВЧ, так и на спектр излучения.

D. Pacella, V. Piergotti, M. Rabinski, G. Rocchi,

При больших и малых углах наклона пластинки в

A. Sibio, B. Tilia, and J. Zebrowski, Plasma Phys.

видимой области спектра регистрируется ИКЛ, а

Control. Fusion 60(11), 115010 (2018).

интенсивность ИВЧ становится низкой.

D. A. Sorokin, A.G. Burachenko, D. V. Beloplotov,

Мы экспериментально доказали, что характери-

V. F. Tarasenko, E. Kh. Baksht, E. I. Lipatov, and

M. I. Lomaev, J. Appl. Phys. 122(15), 154902 (2017).

стика зарегистрированного излучения (зависимость

от угла вывода, увеличение интенсивности с умень-

А. Г. Бураченко, В. Ф. Тарасенко, Д. В. Белоплотов,

Е. Х. Бакшт, Изв. ВУЗов. Физика 60(9), 66 (2017).

шением длины волны, безынерционность) однознач-

10.

V. F. Tarasenko, M. I. Lomaev, E. Kh. Baksht,

но характеризуют это излучение как ИВЧ. Результа-

D. V. Beloplotov, A. G. Burachenko, D.A. Sorokin,

ты, представленные в данной работе, могут быть ис-

and E. I. Lipatov, Matter Radiat. Extremes, accepted

пользованы при создании средств диагностики пуч-

(2019).

ков релятивистских электронов (в том числе на уста-

11.

В. П. Зрелов, Излучение Вавилова-Черенкова и его

новках управляемого термоядерного синтеза), а так-

применение в физике высоких энергий, Атомиздат,

же для диагностики пучков релятивистских ионов,

М. (1968), т. 1, 274 с.

например, на планируемом ускорителе NICA [15].

12.

А. П. Потылицын, С. Ю. Гоголев, Письма в ЭЧАЯ

Работа сотрудниками Института сильноточной

16(2), 147 (2019).

электроники Сибирского отделения Российской ака-

13.

A. V. Vukolov, A. I. Novokshonov, A. P. Potylitsyn, and

демии наук РАН выполнена в рамках гранта Рос-

S. R. Uglov, J. Phys. Conf. Ser. 732(1), 012011 (2016).

сийского научного фонда (проект # 18-19-00184), а

14.

Г. А. Науменко, А. П. Потылицын, П. В. Каратаев,

сотрудниками Томского политехнического универси-

М. А. Шипуля, В. В. Блеко, Письма в ЖЭТФ 106(2),

тета - в рамках гранта Миннауки РФ #3.1903.02017.

115 (2017).

15.

G. Trubnikov, N. Agapov, V. Alexandrov et al.

(Collaboration),

European Particle Accelerator

1. P. V. Savrukhin and E. A. Shestakov, Nucl. Fusion

Conference

11th, Proceedings of EPAC’08,

23-27

55(4), 043016 (2015).

June, 2581 (2008).

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 9 - 10

2019