Моделирование излучения Вавилова–Черенкова и катодолюминесценции в алмазе

Артёмов К.П., Бураченко А.Г., Рипенко В.С., Липатов Е.И., Крылов А.А., Вуколов А.В.

Ссылка для цитирования:

Артёмов К.П., Бураченко А.Г., Рипенко В.С., Липатов Е.И, Крылов А.А., Вуколов А.В. Моделирование излучения Вавилова–Черенкова и катодолюминесценции в алмазе // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 6. С. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-06-3-14

Artyomov K.P., Burachenko A.G., Ripenko V.S, Lipatov E.I., Krylov A.A., Vukolov A.V. Simulation of Vavilov–Cherenkov radiation and cathodoluminescence in diamond [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 6. P. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-06-3-14

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Спектры излучения Вавилова–Черенкова и катодолюминесценции алмазных образцов с различным примесно-дефектным составом в диапазоне 225–900 нм под действием пучка электронов с энергией 5,7 МэВ. Цель работы. Получение спектрально-угловых и пространственных характеристик излучения Вавилова–Черенкова и катодолюминесценции с учётом ионизационных потерь энергии электронов и рассеяния электронов в алмазе, дисперсии показателя преломления и спектров пропускания алмаза. Метод. Моделирование генерации излучения Вавилова–Черенкова и катодолюминесценции в алмазе проводилось в программном пакете Geant4 методом Монте-Карло. Основные результаты. Получено хорошее согласие экспериментальных и расчётных спектров излучения Вавилова–Черенкова и катодолюминесценции на примере двух алмазных образцов с различным примесно-дефектным составом. Показано влияние рассеяния на пространственные и угловые характеристики излучения Вавилова–Черенкова, генерируемого в образцах алмаза электронным пучком с энергией 5,7 МэВ. Произведены оценки световыхода люминесценции и соотношения излучения Вавилова–Черенкова и катодолюминесценции в спектре излучения алмаза. Практическая значимость. Результаты моделирования генерации излучения Вавилова–Черенкова и катодолюминесценции в алмазе под действием электронного пучка с энергией порядка единиц МэВ будут полезны при создании и проектировании черенковских детекторов, способных работать в условиях высокого радиационного фона и высокой температуры.

Ключевые слова:

излучение Вавилова–Черенкова, катодолюминесценция, моделирование, алмаз, электронный пучок

Благодарность:

работа выполнена в рамках Государственного задания ИСЭ СО РАН, проект № FWRM-2026-0008.

Коды OCIS: 000.3860, 290.0290, 250.1500

Список источников:

1. Sadowski M.J. Generation and diagnostics of fast electrons within tokamak plasmas // Nukleonika. 2011. V. 56(2). P. 85–98.

2. Jakubowski L., Sadowski M. J., Zebrowski J. et al. Cherenkov-type diamond detectors for measurements of fast electrons in the TORE-SUPRA tokamak // Rev. Sci. Instrum. 2010. V. 81. № 1. P. 013504. http://doi.org/10.1063/1.3280221

3. Kwiatkowski R., Rabinski M., Sadowski M. J. et al. COMPASS, TCV. Cherenkov probes and runaway electrons diagnostics // Eur. Phys. J. Plus. 2021. V. 136. №. 10. P. 1–14. http://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01844-8

4. Savchenko A.A., Tishchenko A.A. Search for a new material for a medical Cherenkov radiation detector // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2024. V. 1060. P. 169021. https://doi.org/10.1016/j.nima.2023.169021

5. Savchenko A.A., Tishchenko A.A. Geant4 application for efficiency simulation of PbF₂ based calorimeters // Radiation Detection Technology and Methods. 2023. V. 7. P. 435–446. https://doi.org/10.1007/s41605-023-00399-9

6. Valiev F.F. Modeling of Cherenkov radiation in the semi-classical approach // Phys. Part. Nuclei. 2023. V. 54. P. 708. https://doi.org/10.1134/S1063779623040342

7. Kishin I.A., Dronik V.I., Kubankin A.S. et al. Geant4 simulation of the effect of Cherenkov radiation cone transformation in the X-ray region // Bull. Lebedev Phys. Inst. 2022. V. 49. P. 322–328. https://doi.org/10.3103/S1068335622100037

8. Minchenko D., Yañez J.P., Hallin A. Simulating the impact of scattering on the angular distribution of Cherenkov radiation // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2026. V. 1084. P. 171231. https://doi.org/10.1016/j.nima.2025.171231

9. Бураченко А.Г., Артёмов К.П., Вуколов А.В. и др. Излучение Вавилова–Черенкова и катодолюминесценция в алмазе под действием электронов с энергией 5,7 МeV // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 12. С. 1653–1660. https://doi.org/10.61011/OS.2023.12.57400.5713-23

Burachenko A.G., Artyomov K.P., Vukolov A.V., Krylov A.A., Lipatov E.I., Ripenko V.S., Gogolev A.S. Vavilov–Cherenkov radiation and cathodoluminescence in diamond irradiated with 5.7 MeV electrons // Optics and Spectroscopy. 2023. V. 131. № 12. P. 1653–1660. https://doi.org/10.61011/OS.2023.12.57400.5713-23

10. Гриднев В.И., Розум Е.И., Слупский А.М., Воробьев С.А. Микротрон с перестраиваемой энергией ускоренных электронов // Приборы и техника эксперимента. 1987. № 1. С. 20.

Gridnev V.I., Rozum E.I., Slupsky A.M., Vorobyov S.A. Microtron with tunable energy of accelerated electrons // Instruments and experimental equipment. 1987. V. 1. P. 20.

11. Collins G.B., Reiling V.G. Cerenkov radiation // Physical Review. 1938. V. 54. P. 499. https://doi.org/10.1103/PhysRev.54.499

12. Кобзев А.Н. К вопросу о направленности излучения Вавилова–Черенкова // Ядерная физика. 1978. Т. 27. № 5. С. 1256–1261.

Kobzev A.N. On the question of the directivity of Vavilov–Cherenkov radiation // Nuclear Physics. 1978. V. 27. №. 5. P. 1256–1261.

13. Кобзев A.Н., Пафомов В.Е., Франк И.М. Угловые распределения излучения Вавилова–Черенкова, возбуждаемого в слюде электронами с энергией 170–250 кэВ // Ядерная физика. 1979. Т. 29. № 1. С. 122–132.

Kobzev A.N., Pafomov V.E., Frank I.M. Angular distributions of Vavilov–Cherenkov radiation excited in mica by electrons with energies of 170–250 keV // Nuclear Physics. 1979. V. 29. № 1. P. 122–132.

14. Alekseev B.A., Vukolov A.V., Konusov F.V. et al. Cherenkov radiators based on diamond and corundum crystals // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2023. V. 20. P. 38–41. https://doi.org/10.1134/S1547477123010028

15. Potylitsyn A.P., Alekseev B.A., Vukolov A.V. et al. Monochromatic optical Cherenkov radiation of moderately relativistic ions in radiators with frequency dispersion // JEPT Letters. 2022. V. 115. P. 439–443. https://doi.org/10.1134/S0021364022100393

16. Тамм И.Е., Франк И.М. Когерентное излучение быстрого электрона в среде // Доклады Академии наук СССР. 1937. Т. 14. № 3. С. 107–112. https://doi.org/10.3367/UFNr.0093.196710o.0388

Tamm I.E., Frank I.M. Coherent radiation from a fast electron in a medium // Reports of the USSR Academy of Sciences. 1937. V. 14. № 3. P. 107–112. https://doi.org/10.3367/UFNr.0093.196710o.0388

17. Cоломонов В.И, Михайлов С.Г. Импульсная катодолюминесценция и ее применение для анализа конденсированных веществ. Екатеринбург: Издательство УрО РАН, 2003. 182 с.

Solomonov V.I., Mikhailov S.G. Pulsed cathodoluminescence and its application for the analysis of condensed substances. Ekaterinburg: Publishing House of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2003. 182 p.

18. GEANT4: A toolkit for the simulation of the passage of particles through matter. http://geant4.cern.ch/

19. https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=C&page=Taylor

20. Potylitsyn A.P. Cherenkov radiation from relativistic electrons in inclined transparent radiator // Optics and Spectroscopy. 2024. V. 132. № 2. P. 117–123. https://doi.org/10.61011/EOS.2024.02.58444.5385-23

21. https://root.cern.ch/root/htmldoc/guides/users-guide/ROOTUsersGuide.html

22. Zaitsev A.M. Optical properties of diamond: A data handbook. Berlin: Springer, 2001. 353 p.