相干的参数X-射线辐射及弯晶的退道效应

　　0　引言

　　1976年,苏联科学家Kumakhov发现了沟道辐射[1],同年,Tsyganov预言了可以利用弯晶来控制带电粒子[2], 1996年,世界上几个加速器中心几乎同时实现了对质子束的控制。值得注意的是,正是在束流控制的研究中,人们还进一步发现了可以利用弯晶来产生、衍射、引出和聚焦参数X-射线辐射(Parametric X-ray radiation, PXR)、沟道辐射(Channeling radiation, CR)和晶体摆动场辐射(Crystalline undulator radiation, CUR),在人们寻找新光源,特别是短波激光光源的探索中弯晶起到了十分重要的作用。

　　注意到沟道辐射主要集中在束流运动方向张角为Δθ≈1/γ的范围内(γ是相对论因子),当带电粒子从晶体的一端到另一端做沟道运动时,它将穿越一系列晶面同晶体相互作用;同样,伴随的沟道辐射也将同这些晶面发生作用,同时产生反射、折射等现象。1985年,人们就开始了对电子在薄单晶中的沟道运动产生的PXR进行实验研究,发现在布拉格附近PXR的反射最强,当电子能量从几MeV到几GeV变化时,反射的PXR能量可达几千电子伏到几百千电子伏。199年以来,人们对质子产生的PXR也开始了实验研究[3-5]。值得注意的是,对弯晶的PXR研究是近年来才开始的[5-7]。

　　由于弯晶的引入,人们开始了对聚焦PXR的研究,并使衍射的PXR研究成为可能。如果能成功引出衍射的PXR,可望获得新的短波长激光光源。图1给出了如何利用弯晶来实现聚焦和衍射的PXR,P+表示质子或带正电的沟道粒子。将一板状晶体做图1(a)所示的圆柱形弯曲,设曲率半径为R,对称轴为f,并假设带电粒子在倒格矢g标记的沟道中运动。如果倒格矢g1与粒子轨迹成45°角,当PXR同g1描述的这一族晶面相互作用时,将被这一族晶面反射,并沿着半径聚焦到f轴上的F1和F2处(见图1(b))。如果能够将它成功收集,就可获得典型的聚焦PXR源。如果用倒格矢g3表示另一族与粒子运动轨迹垂直的晶面(沿径向),当PXR与这一族晶面相互作用时,将被这一族晶面垂直反射,并沿着粒子运动方向相反的方向传播。当PXR的频率(或CUR、CR中的某一频率)ω=ωB(布拉格频率),且符合布拉格衍射条件时,将被另一族晶面(比如用倒格矢g2表示的晶面)衍射,并沿半径聚焦到f轴上的点F3处(见图1(b))。如果能够将它成功收集,就可获得聚焦的衍射PXR源。由于这种光源具有相干性,可望成为新的短波长激光光源。

　　根据测不准原理可将PXR的谱线宽度表示为ΔE/E≈1/2πn,其中n是粒子穿越晶面次数。可以看出,辐射穿越晶面的次数越多谱线越窄,换句话说,晶体越长谱线分辨率越好。事实上,由于衰减、晶格热振动和电子多重散射等因素的影响,晶体又不能作得太长。值得注意的是,要成功获得衍射的PXR光源,必须保证粒子的运动是稳定的。换句话说,由于衰减、晶格热振动、电子多重散射和相互作用势的非线性等因素对粒子运动稳定性的影响,系统将产生退道、分叉、混沌等不稳定现象,从而对PXR的反射、衍射、聚焦和谱分布产生直接影响。