Когерентные и ориентационные явления при аксиальном каналировании релятивистских ядер и ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Р Г 6 од

На правах рукописи

Филимонов Юрий Михайлович

Когерентные и ориентационные явления при аксиальном каналировании релятивистских ядер и ионов

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск-1996 г.

Работа выполнена в НИИ Ядерной Физики Томского Политехнического Университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических

наук, с.н.с. Пивоваров Ю.Л.

Официальные оппоненты: доктор

физико-математических наук, Кольчужкин A.M.

доктор

физико-математических наук, Эпп В.Я.

Ведущая организация: Объединённый Институт Ядерных Исследований, Лаборатория Высоких Энергий, г. Дубна

Защита состоится " /¿/с^-А^сУ 1996 г. на заседании диссертационного совета Д 063.80.06 по защите докторских диссертаций Томского Политехнического Университета (634050, Томск, пр. Ленина, 2а, НИИ ЯФ ТПУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТПУ

Автореферат разослан " tCoQuJ 1996г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

кандидат

физико-математических наук С ~ В.К. Кононов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Экспериментальные и теоретические исследования последних лет привели к пониманию и описанию многих эффектов, возникающих при каналпровании элементарных (электронов, позитронов, протонов, антипротонов, 7г—, 7Г+- мезонов) и составных (ионов) частиц. Наиболее перспективной в последнее время представляется область взаимодействия релятивистских ионов с кристаллами. Для описания результатов эксперимента и предсказания .новых эффектов необходимо знать распределение каналпруемых частиц по прицельным параметрам столкновения с атомами мишени. Используемые аналитические методы, основанные на решении кинетических уравнений и успешно применяемые для плоскостного каналирования, при переходе к аксиальному случаю, пз-за увеличения размерности модели, становятся малоприемлемыми.

Оставаясь важным фактором в исследовательском процессе, аналитические методы теоретического описания явлений дополняются численными методами. Одним из перспективных численных методов является метод моделирования физического процесса, который сочетает в себе черты теоретического и экспериментального исследования. Методы моделирования внесли значительный вклад в понимание явлений прохождения заряженных частиц через кристаллы. Осцилляции потока при плоскостном каналпровании протонов низких энергий, моделирование поворота релятивистских частиц и вывода пучка из ускорителя изогнутыми монокристаллами, описание экспериментов по излучению электронов и позитронов при каналпровании- далеко не полный перечень направлений, в которых с успехом применялся метод моделирования. Широкое применение метод моделирования получил в экспериментальных работах при обработки результатов экспериментов.

Специфические свойства траекторий каналпруемых частиц, возможность выбора конкретных экспериментальных условий для выделения фракций частиц, локализованных в определенной области фазового пространства, открывают новые возможности для создания экспериментальных методов исследования процессов взаимодействия элементарных и составных частиц с кристаллами. Появление ускорителей релятивистских тяжёлых ионов (ОИЯИ, CERN, Bevalac) с уникальными

свойствами пучка, такими как малая угловая расходимость, достигаемая за счёт электронного охлаждения (ГСИ, Дармштадт), открывает новые возможности для исследования взаимодействия тяжёлых ионов и ядер с кристаллами. Многие вопросы физики взаимодействия релятивистских ионов с веществом, такие как ионизационные потери, сечения ионизации и захвата электронов, динамика зарядового состояния ионного пучка в веществе, возбуждение ионов, начинают исследоваться во многих научных центрах. Цель работы. Целью диссертации является:

1. Развить метод моделирования траекторий заряженных частиц в кристаллах (мультистринговая модель) для исследования когерентных и ориентационных явлений при взаимодействии релятивистских ионов и ядер с кристаллами.

2. На основе мультистринговой модели исследовать оссобенности куло-новского возбуждения (КВ) в кристаллах-взаимовлияние мультиполь-ности перехода и перераспределения прицельных параметров столкновений на примере КВ уровней 110 кзВ (Е1 переход) и 196 кэВ (Е2 переход) ядер 19 Г :

a) при каналировании ядра фтора с энергией Е=100 МэВ/нуклон через кристалл Се вдоль оси < 100 >.

b) при каналировании через кристалл 1лГ протонов и антипротонов с энергией Е=100 МэВ.

3. Исследовать когерентное кулоновское возбуждение (ККВ) ядер 169Тт в кристалле Се в условиях каналирования (ориентационные и энергетические зависимости), с целью подготовки эксперимента на пучке ГСИ (Дармштадт).

4. Исследовать динамику зарядовых состояний релятивистских ионов 1п3+ при прохождении через кристалл Б г < 110 > и разработать метод вычисления сечений ионизации ионов электронным ударом, основанный на методе моделирования траекторий с использованием экспериментальных данных по зарядовым состояниям ионов на выходе из кристалла.

Метод исследования. Для достижения целей работы применяется метод компьютерного моделирования траекторий заряженных частиц в кристалле, с учётом влияния на траекторию многократного рассеяния на электронах и ядрах кристалла и потерь энергии на ионизацию атомов среды.

Научная новизна

1. Показано, что орпентационные зависимости выхода различных процессов при аксиальном каналпровании, при толщинах мшпе-нп Ь < (I) и Ь > (¿) имеют разный функциональный вид. Величина (I) определяется средним периодом колебаний частиц пучка в канале.

2. На примере некогерентного кулоновского возбуждения ядра доказала возможность изменения соотношения относительных вероятностей возбуждения ядерных уровней при переходах различной мультипольности при прохождении ядер через кристалл.

3. Впервые проведён компьютерный эксперимент по вычислению вероятности ККВ ядра тТт при каналированпп в кристалле Се < 100 >. Получены орпентационные зависимости вероятности ККВ |69!Гт для разных толщин мишени и показано, что при выполнении условий резонанса вероятность КВ при каналирова-нии в кристалле в десятки раз больше, чем вероятность КВ при прохождении через аморфную мишень, для углов разориентации ■ф С (0-=-3Ф1), где критический угол каналировапия. Получены зависимости вероятностей ККВ 1б9Гт от энергии каналиру-емого ядра для разных углов разориентации и показан резонансный характер этой зависимости.

4. Предложен метод вычисления сечений ионизации тяжёлых многозарядных ионов электронным ударом, основанный на методе моделирования траекторий и использовании экспериментальных данных по распределению ионов по зарядовым состояниям на выходе из кристалла.

Научная и практическая ценность. Создан и апробирован комплекс программ, применимый к решению задач прохождения релятивистских тяжёлых ионов и ядер через кристаллы. Полученные результаты по когерентному кулоновскому возбуждению ядер используются для подготовки конкретных экспериментов в ГСИ (Дармштадт). На основе созданных программ расчёта вероятностей ККВ ядер имеется возможность прогнозировать эксперименты на ускорителях релятивистских ядер ГСИ (Дармштадт), ЛВЭ ОИЯИ (Дубна). Дальнейшее развитие предложенного в настоящей работе метода вычисления сечений ионизации ионов электронным ударом позволит получить метод восстановления сечений таких процессов, как ионизация ионов пучка

при столкновениях с атомами среды, подхвата электронов релятивистским ионом и т.д.

Апробация работы: Результаты работ, вошедших в диссертацию докладывались на Научных Сессиях ОЯФ АН СССР (Москва, МИФИ, 1986, 1988 г.), на XVII, XX Всесоюзных Совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва МГУ, 1987, 1990 г.), Всесоюзном семинаре по электромагнитным взаимодействиям адронов в резонансной области энергий (Харьков, ХФТИ, 1987 г.), XXIII Межнациональном Совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва МГУ, 1993 г.), XXIV, XXV Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва МГУ, 1994, 1995 г.), 43 и 44 Международных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Санкт-Петербург 1993,1994 г.), Third Biennial Conference on Low-Energy Antiprotons Physics (Словения, Блед, 1994 г.), Международных Симпозиумах по излучению релятивистских электронов в периодических структурах (Томск, 1993, 1995 г.), Workshop on Channeling and Other Coherent Crystal Effects at Relativistic Energy (Дания, Орхус, 1995 г.), 16"1 International Conference on Atomic Collisions in Solids (Австрия, Линц, 1995 г. ).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в журналах "Ядерная физика", "Вопросы атомной науки и техники", "Известия Академии наук. Серия физическая", "Physica Status Solidi", "Поверхность. Физика, химия, механика", "Известия ВУЗов. Физика", в препринтах НИИ ЯФ при ТПУ, GSI (Darmstadt). Материалы диссертации публиковались в соавторстве с Ю.Л. Пивоваровым, A.M. Таратиным (Дубна, ОИЯИ) , С.А. Воробьёвым, О.Э.Кривошеевым, Г.Гейсселем (Германия, Дар-мштадт, ГСИ), К.Шайденбергером (Германия, Дармштадт, ГСИ). Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации - 117 страниц, включая 37 рисунков и библиографический список из 78 наименований.

Положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс алгоритмов п программ, основой которых является метод моделирования траекторий заряженных частиц в поле системы непрерывных цепочек атомов (мультистринговая модель) с учётом диссипативных процессов, позволяющий решать задачи взаимодействия тяжёлых релятивистских иопов и ядер с кристаллами.

2. Из результатов расчётов ионизационных и радиационных потерь электронов, вероятностей кулоновского возбуждения ядра вероятностей когерентного кулоновского возбуждения ядра тТт следует, что при аксиальном каналировании как отрицательно, так и положительно заряженных частиц, в области энергий, для которых применимо классическое описание траекторий и для толщин мишеней до 10 мкм, перераспределение прицельных параметров столкновений частиц пучка и атомов кристалла за счёт осцилляции потока частиц является определяющим фактором выходов процессов.

3. Результаты расчетов ориентационных зависимостей вероятностей когерентного кулоновского возбуждения ядра 159Тт при каналировании в кристалле Се вдоль направления < 100 > для разных толщин мишени и энергий ядер. ~ 2.16. -

4. Результаты расчётов зависимости вероятности когерентного кулоновского возбуждения ядра тТт при каналировании в кристалле ве вдоль направления < 100 > от энергии ядер, которые показывают, что процесс когерентного кулоновского возбуждения ядер в кристалле имеет ярко выраженный резонансный характер и может наблюдаться экспериментально.

5. Метод расчёта сечений ионизации многозарядных тяжёлых ионов электронным ударом, основанный на моделировании траекторий ионов в кристалле совместно с использованием экспериментальных данных по распределению зарядовых состояний ионов на выходе пз кристалла.

Содержание диссертации

Во введении дан краткий обзор применения метода моделирования к задачам каналированпя. Сформулирована цель работы и определен метод исследования. Изложено краткое содержание диссертации. В первой главе описывается и обосновывается метод моделирования траекторий в мультистринговой модели и продемонстрировано применение метода к решению некоторых задач, возникающих при канали-ровании релятивистских электронов.

В мультистринговой модели движение заряженной частицы в кристалле в режиме аксиального каналирования описывается в приближении потенциала непрерывных цепочек атомов, расположенных с определённой трансляционной симметрией в поперечной, к выбранному кристаллографическому направлению, плоскости. Траектория частицы в кристалле определяется численным решением классических уравнений движения в поле потенциала системы непрерывных цепочек атомов (метод Рунге-Кутта4~го порядка). После каждого шага интегрирования производится розыгрыш угла многократного рассеяния на электронах и ядрах кристалла и определяются потери энергии на ионизацию атомов среды. Полученные значения используются для определения изменения импульса на шаге интегрирования за счет многократного рассеяния и потерь энергии.

В качестве примера работы мультистринговой модели (ММ) на рис. 1 представлены две траектории (в плоскости, перпендикулярной к кристаллографическому направлению < 100 > кристалла бе), которые реализуются при каналировании электронов с энергией Е = 1ГэВ с начальным углом к оси фо = 0.1 грь, (где критический угол Линдхар-да, в данном случае ^ = 5.4 • 10~4ра^) и с разными начальными точ-

Рис.1 Типичные траектории электронов в поперечной плоскости при каналировании в Се вдоль < 100 > направления. Глубина проникновения в кристалл ~ 10/нп

ками влёта в крпсталл: а- (хо, 2/о)= (0.25,0)А, Ь- (хо,уо)= (0.5,0)А.

Начальный поперечный импульс направлен вдоль оси у. Рисунок демонстрирует существование как связанного движения электронов с цепочкой атомов, так и пнфинптного движения в поперечной плоскости. Функции динамических переменных, характеризующие рассматриваемый процесс, вычисляются путём усреднения по числу рассмотренных траекторий N. На рис.2 приведены локальные потери энергии на ионизацию атомов среды на единицу пути в расчете на один электрон пучка при канали-рованип мононаправленного пучка электронов с энергией 1 ГэВ вдоль < 100 > направления (угол разориен-тации ф = 0) кристалла Ge. Кривая 1 - потери энергии на один электрон пучка, полученные усреднением по пройденному пути 0.1 мкм для N = 1000; 2 - потери энергии в аморфной среде. Увеличение потерь энергии при каналнровании электронов, по сравнению с аморфной мишенью, объясняется перераспределением потока электронов по мере проникновения в глубь кристалла. Наблюдаемые осцилляции локальных потерь энергии связаны с оцил-ляцпямп потока электронов по глубине кристалла- электроны фокусируются на кристаллографическую ось. Превышение первого пика над остальными объясняется тем, что после первой фокусировки значительная часть электронов (~ 70%) рассеивается на большие углы и выходит из режима каналпрования.

Осцилляции потока электронов по глубине кристалла приводят к осцилляциям электроядерпых реакций, которые наблюдались экспериментально при каналировании электронов с энергией 700 МэВ в кристалле Si вдоль оси < 111 > (ХФТИ, 1987 г.). Для условий, соответствующих эксперименту, проведён расчёт выхода электроядерной реакции по глубине кристалла; полученный результат удовлетвори-

з

Рис.2 Локальные потерн энергии на ионизацию при каналнровании электрона с энергией Е=1 ГэВ в (?е вдоль < 100 > направления.

тельно согласуется с экспериментом.

Во второй главе мультистринговая модель модифицировала для решения задач прохождения тяжёлых частиц через кристаллы. Рассматриваются особенности кулоновского возбуждения (КВ) ядер при прохождении через кристаллы и возбуждения ядер кристалла при прохождении через него протонов и антипротонов. В традиционных задачах о КВ ядер, для исключения процессов сильного взаимодействия, накладывается ограничение на энергию тяжёлой частицы. Это ограничение может быть снято, если частица движется в кристалле под малыми углами к кристаллографическим направлениям, т.е. в режиме каналирования. В качестве объекта исследования выбрано ядро 19Г и рассмотрен процесс КВ для переходов мультипольности Е1(110 кэВ) и Е2(196 кэВ) при каналировании ядра с энергией 100 МэВ/нуклон в кристалле <7е в направлении < 100 > и при каналировании протонов и антипротонов с энергией 100 МэВ в кристалле ЫР вдоль направления < 110 >. Сечение возбуждения определяется как:

оо

= / Р,х{Ь)йЬ , (1)

— 00

где 7гА=Е1,Е2; Рт\{Ь)- вероятность возбуждения при столкновении с атомом мишени с прицельным параметром Ь. В научной литературе имеются данные о том, что в аморфной мишени для С, и Се в широком интервале энергий ое\ < аЕ2- Однако при каналировании происходит перераспределение прицельных параметров столкновений ядер пучка с атомами мишени и выражение для сечений (1) должно быть заменено на:

а*х{Фо, г) = 5 У Р„х{\ра - Д1) • ш(ра) • /(р, г, тро)<1р<1ра, (2)

5

где ш(ра)~ распределение атомов кристалла по тепловым колебаниям , /(р,гро)~ распределение каналируемых частиц в поперечной плоскости на глубине проникновения 2 в кристалл; гро~ начальный угол разориентации между пучком и кристаллографическим направлением; 5- площадь, приходящаяся на одну цепочку в поперечной плоскости. В работе Ю.Л.Пивоварова (Изв. АН, Сер.Физ., 57(1), 1993,

с.144) вычислены зависимости ре2{Фо)1<те\{Фо) для модельных функций распределения каналпруемых ядер в поперечной плоскости канала < 110 > кристалла 5г и показано, что в условиях каналиро-ванпя о-Е2(Фо) < &е\{Фо) для ф0 < фь (фь - угол Линдхарда). В проведённых компьютерных экспериментах вычислены вероятности возбуждения уровней 110 кэВ (Е1 переход) и 197 кэВ (Е2 переход) для типичных траекторий ядра в кристалле С?е с учётом тепловых колебаний атомов, потерь энергии п многократного рассеяния на электронах и атомах кристалла.

0123456789 10 0123456789 10

г, ¡1тл г, /и,т

Рис.3 Выход КВ двух ядерных уровней ядра инициированный антипротонами (а) и протонами (Ь). Сплошная кривая - для КВ уровня 110 кэВ (Е1 переход), пунктирная - 197 хэВ (Е2 переход).

Результаты расчётов показывают, что при приближении условий прохождения ядер через кристалл к условиям каналпрования проявляется тенденция к изменению соотношения вероятностей возбуждения переходов разной мультипольностп в соответствии с оценками, проведёнными для модельных функций распределения но прицельным параметрам столкновения. В главе 2 также рассмотрен процесс КВ ядра 19.Г при каналировании протонов и антипротонов в кристалле ЫР. Перераспределение потока при каналировании в ориентированном кристалле приводит к увеличению вероятности близких прицельных параметров столкновений в случае антипротонов и к уменьшению - для

протонов, и соответственно вероятность КВ антипротонами должна быть выше. Расчёт проведён для энергий протонов и антипротонов 100 МэВ. На рис. 3 представлены вероятности КВ двух низших ядерных уровней ядра Р, инициированных антипротонами (а) и протонами (Ь) в зависимости от глубины проникновения в кристалл, для нулевого угла разориентацип с осью < 110 >. Сплошная кривая - для КВ уровня 110 кэВ (Е1 переход), пунктирная - 197 кэВ (Е2 переход). Сравнивая рис. За и рпс. ЗЬ видим, что при каналированип антипротонов вероятность КВ ядра фтора, для двух рассмотренных уровней, значительно больше, чем при каналированип протонов. При этом вероятность КВ переходом Е1 при возбуждении протонами больше, чем вероятность КВ Е2 переходом для толщин мишени: 1 мкм вплоть до значений углов разориентацип 1 мрад, 2 мкм - 0.6 мрад и 5 мкм - 0.2 мрад. Использование пучков антипротонов различных энергий и ориентированных кристаллических мишеней позволит изучать новые интересные особенности КВ, например сильное увеличение вероятности КВ ядер кристалла по сравнению с обычным КВ протонами, а также ориентационный эффект выхода КВ, сильно зависящий от мультипольности ядерного перехода и энергии антипротонов.

В третьей главе рассматривается КВ ядер пучка в кристаллах при релятивистских энергиях . В отличие от нерелятивистского случая, рассмотренного выше, здесь возможно когерентное кулонов-ское возбуждение (ККВ) ядер пучка периодическим полем кристалла, когда разность фаз амплитуд КВ на отдельных атомах цепочки

~ 27ГП, ( п = 1,2,3,...) и происходит конструктивная интерференция амплитуд. При этом вероятность ККВ может превысить вероятность КВ в аморфной (разориентированной) мишени в десятки раз. Ядра, каналируюхцие вдоль упорядоченных атомов осей кристалла со скоростью 0 = ус испытывают периодичное возмущение частоты

2^7/Зс

ип = —-—"> гс = 1,2 • • • , (3)

где 7 = (1 — /З2)-1/2 - Лоренц-фактор, п характеризует номер гармоники, (I - расстояние между атомами в оси. Если частота возмущения совпадает с энергией перехода между ядерными состояниями Дт.е.~ Нип = АЕц; , то выполняется условие когерентного кулоновского возбуждения (ККВ). Для оценок вероятностей ККВ предпринимались по-

пытки использовать упрощенные равновесные функции распределения каналируемых ядер по сечению канала. Однако, такой подход не позволяет проследить реальную динамику процесса ККВ в кристалле. Другой подход к проблеме ККВ был предпринят на основе моделирования в рамках модели бинарных столкновений. Этот подход требует больших затрат машинного времени. Развивая подход моделирования в задаче о ККВ ядер в кристаллах для увеличения скорости "счёта, в диссертации использована мультистринговая модель для вычисления траекторий каналированных ядер. На каждом шаге интегрирования уравнений движения определяется число ядер мишени, взаимодействие с которыми дает вклад в амплитуду возбуждения. На основе теории релятивистского кулоновского возбуждения, развитой Винтером и Аль-дером, вычисляются и складываются амплитуды возбуждения на каждом ядре мишени на данном шаге интегрирования. Процедура сложения амплитуд повторяется до момента перехода каналируемого ядра к другой цепочке атомов. В этот момент вычисляется вероятность ККВ. Эта процедура повторяется для вычисления вероятности ККВ на следующей цепочке атомов и т.д. по всей траектории каналируемого ядра. В приведённой процедуре вычисления существенным является то, что для вычисления вероятностей ККВ складываются амплитуды возбуждения при столкновениях с ядрами мишени, принадлежащими только одной цепочке (одноцепочечная аппроксимация), тем самым предполагается отсутствие когерентности при столкновении с разными цепочками атомов. Вероятность возбуждения после рассеяния на многих цепочках определяется суммированием вероятностей возбуждения на каждой из них. Конкретно представлены результаты расчётов вероятности ККВ уровня 8.4кэВ (М1 - переход) ядра тТт, движущегося вдоль < 100 > направления в кристалле йе. На рпс.4а-Ь представлены ориентационные зависимости отношения вероятности ККВ Рсоь{'Ф) при каналнрованпи к вероятности КВ в аморфной мишени- Рат, Для ядра 169Т7п при двух различных начальных релятивистских факторах пучка (-)- = 7ГС8 и 7 = 1.0017г„ ), для мишеней различной толщины. В нашем случае, согласно условиям (3) (энергия перехода - 8.4кэВ , мишень-кристалл бе, направление- < 100 >), выбрано п = 2 (угез = 2.16), что достижимо в настоящее время для нового ускорительного комплекса ГСИ (Дармштадт). Статистика в компьютерном эксперименте составляла 103 ядер.

Рис.4 Ориентационные зависимости вероятности ККВ при каналировании ядра ,69Гт в кристалле <?е < 100 >: а- 7 = 7,.,,; Ь-г = 1.0017г..

Из рис.4а видно, что вероятность ККВ (кристалл) превышает вероятность некогерентного КВ (аморфная мишень) для углов разориентации вплоть до 3 Вместе с тем, ориентационная зависимость (03) отношения Я = Рсои/Рат резко различается для глубин проникновения ядер пучка в кристалл г < 1 [хтп и г > lfj.ni. В последнем случае взаимовлияние перераспределения потока ядер в канале из-за эффекта канали-рования (зависит от ф) и когерентности (число атомов в це-

Рис.5 Вероятности ККВ 169Тт в зависимо- , .

сти от 7 - фактора почке, дающих эффективный

вклад в суммарную амплитуду возбуждения также зависит от ф ) приводит к характерному виду 03 с минимумом при ф — 0 и максимумом вблизи ф = Фь.

Аналогичные рассуждения объясняют результаты, представленные на рис.4б, но в этом случае рассогласование фаз за счёт того, что 7 не удовлетворяет условию резонанса (0.1%) приводит к общему умень-

"х /1 "*"" ---« \

- у. = 0

- у = 1 .оу

▼

0.90

0.95

1.00 7/7„

1.05

1.10

шению вклада когерентного возбуждения в вероятность перехода. На рис. 5 показан ярко выраженный резонанс для ККВ ядра тТт, в зависимости от Лоренц-фактора 7 при различных углах разориентации с < 100 > осью кристалла Ge (толщина кристалла 10 мкм). Основываясь на приведённых расчётах, можно определить оптимальные условия эксперимента по когерентному кулоновскому возбуждению ядер - угол влёта ~ (14-1.5)t¡)i, энергия близка к резонансной в пределах 0.1%. Оцененная величина эффекта ядерного ККВ при энергиях ГСИ позволяет надеяться на уверенное наблюдение резонанса, используя охлаждённые ядерные пучки ускорителя ГСИ высокого качества. В четвертой главе рассматриваются вопросы динамики зарядовых состояний при каналировании релятивистских тяжёлых ионов. В ГСИ (Дармштадт) и GANIL был проведён ряд экспериментов по исследованию зарядовых состояний при прохождении ионов через кристаллические мишени. На ускорительном комплексе ГСИ был проведён эксперимент, в котором были измерены распределения по зарядовым состояниям пучка ионов урана, первоначально находившихся в зарядовом состоянии

¿/73+

с энергией Е=300 МэВ/нуклон, при прохождении через кристалл Si толщиной 120 мкм, под нулевым углом к оси < 110 >. В диссертации, для условий этого эксперимента, проведён расчёт распределений ионов по зарядовым состояниям на выходе из кристалла. При расчёте траектории иона вычислялась вероятность потери электрона за счёт ионизации электронным ударом и за счет катастрофических столкновений с атомами мишени. Результаты моделирования дают качественное согласие с экспериментальными данными. Для достижения количественного согласия результатов моделирования и эксперимента необходимо дальнейшее развитие модели: более точное вычисления вероятностей ионизации каналируемого иона и учёт подхвата электронов мишени. Одним из важных моментов является определение сечений ионизации иона электронами мишени (ионизация электронным ударом). Однако, извлечение информации из экспериментальных данных в этом случае является сложной задачей, так как ноны, принадлежащие к разным фракциям (подбарьерные и надбарьерные состояния) движутся как бы в разных средах - с разной электронной и атомной плотностью на своей траектории. Знание средней электронной и атомной плотности на пути ионов для каждой фракции или(и) выделенных групп частиц в этих фракциях, например по угловому распределению

или(и) по потерям энергии, поможет получить сечения таких процессов, как ионизация ионов электронным ударом, ионизация при столкновениях с атомами, подхвата электронов. При определении сечений ионизации каналированных быстрых ионов ранее использовалась модель, основанная на предположении о доминирующей роли ионизации электронным ударом ("electron impact ionization",Ell) для хорошо ка-налируемых ионов и на предположении о равновесном распределении ионов в пространстве поперечной энергии (S.Andriamonje, et. al. Phys. Rev. Let.63 (1989) 1930).

В настоящей работе развит более адекватный метод, учитывающий неравновесный характер распределения по поперечной энергии и эффект перераспределения потока ионов. Используя метод моделирования траекторий в мультистринговой модели, рассмотрено прохождение иона

U 73+

через кристалл толщиной 120 мкм, без учёта процессов ионизации (но с учётом потерь энергии и многократного рассеяния). На выходе из кристалла получена фракция каналируемых частиц (23%). Для этих частиц были вычислены средние потери энергии п средняя электронная плотность, необходимая для вычисления сечения Ell. На рис.6 представлены средние потери энергии на ионизацию атомов ми-

ей Е=300 МэВ/нуклон при каналировании в ШеНП В ЗаВИСИМОСТИ от ТОЛЩИ-кристалле Si < 110 >. 1-усреднённые по все- НЫ МИШеНИ. Начальное раСХО-му пучку, 2- усреднённые по каналированной ждение пучка J(Alp2) =93.42 МИ-фракции.

крорадиан и соответствует расходимости пучка в эксперименте. Кривая 1- общие потери энергии, кривая 2- только для каналированной фракции. После прохождения 120 микрон ионы С/73+ имеют потери энергии, усреднённые по всем ионам каналируемой фракции, (ДE)iim ~ 0.81 МэВ/нуклон - согласно расчёту. Экспериментальные данные дают (ДЕ)сх ~0.79 МэВ/нуклон.

I 2

= 1.0 >

. О.В ш

< о.а

0.4

о.г о.о

о го 40 во во too 120 г /хт

Рис.6 Потери энергии ионом U73+ с энерги-

Вычисленная средняя электронная плотность на пути каналиро-ванных ионов (ñ) ~0.305 1/Á3 (средняя электронная плотность в кристалле кремния равна 0.699 1/Á3). С учётом этого получаем оценку сечения ионизации электронным ударом atu{Un+ —> U74+) ~ 499 барн. Согласно полуэмпирической формуле Лотца, широко используемой для оценок порядка сечений ионизации, соответствующее сечение равно 672 барна. Используя полученное значение сечения для вычисления вероятности ионизации при моделировании прохождения Z773+ и определив среднее значение электронной плотности на пути ионов f/74+, можно определить <т„,(Е/74+ —> U75+) и т.д. Развитие этого метода вычисления, с привлечением экспериментальных данных по угловым распределениям ионов, позволит определить сечения таких процессов как ионизация многозарядных тяжелых ионов при близких столкновениях с атомами мишени и подхват электронов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Впервые показано, что при аксиальном каналировании электронов с энергией Е=1 ГэВ в кристалле Ge < 100 > и Е=700 МэВ в кристалле Si < 111 >. за счёт осцилляций потока каналируемых частиц происходят осцилляции выхода по глубине мишени таких процессов, как потери энергии на ионизацию, потери энергии на излучение при каналировании и электроядерных реакций.

2. Впервые в компьютерном эксперименте изучены особенности КВ в кристаллах, в частности вычислены вероятности КВ нпзколежащих уровней 110 кэВ (El переход) и 197 кэВ (Е2 переход) ядра 19F, при каналировании ядер 19 F с энергией Е=100 МэВ/нуклон в кристалле. Ge < 100 > и при каналировании протонов и антипротонов с энергией Е=100 МэВ в кристалле LiF < 110 >. Результаты расчётов доказывают возможность изменения соотношения относительных вероятностей возбуждения ядерных уровней при переходах различной мультиполь-ности, в кристаллических мишенях.

3. Исследованы ориентационные зависимости вероятности ККВ I697Vri в кристалле Ge < 100 > для разных толщин мишени и впервые показано, что превышение значения вероятности КВ ядра по сравнению с аморфной мишенью (в десятки раз) может наблюдаться при углах разориентации ф < 0.5y>¿- для мишеней толщиной ~ 0.1/гт и i." ~ для мишеней толщиной 1 ~ 10/¿т, при выполнении условий резонанса. Исследована зависимость вероятности ККВ тТт в кри-

сталле Ge < 100 > толщиной 10 цт от энергии каналируемого ядра и разных углов разориентации, и показан резонансный характер этой зависимости, приводящий к увеличению вероятности KB, по сравнению с аморфной мишенью, в десятки раз.

4. Изучено формирование распределения по зарядовым состояниям ионов U с энергией 300 МэВ/нуклон, первоначально находившихся в состоянии 1г7Л+. после прохождения кристалла Si толщиной 120 мкм вдоль < 110 > направления и достигнуто качественное согласие с экспериментальными результатами.

5. Предложен метод вычисления сечений ионизации тяжёлых многозарядных ионов электронным ударом и оценено сечение ионизации электронным ударом нона U7i+ электронами с энергией 164.5 кэВ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Filimonov Yu.M., Taratin A.M., Vorobiev S.A. Temperature Dependence of the Electron Capture Efficiency in the Axial Channeling. // Phys. Stat. Sol.(b).- 1985.-V.128 - P.K27-K30.

2. Филимонов Ю.М., Таратин A.M. Расчет эффективности захвата отрицательно заряженных частиц в аксиальный режим каналирования.// Известия ВУЗов.Фиэика-1982.- N10.-P.124-127.

3. Filimonov Yu.M., Taratin A.M., Vorobiev S.A.. Computer Simulation of the Volume Capture Effect for Relativistic Electrons in Crystals. // Phys. Stat.Sol.(b).-1986.- V.137.- P.K63-K65.

4. Филимонов Ю.М. Эффект осцилляций выхода электроядерных реакций по глубине при прохождении релятивистских электронов через кристалл.// ВАНТ.- 1989.- Т.41- Вып.1.-Р.

•5. Филимонов Ю.М.. Пивоваров Ю.Л., Воробьев С.А. Эффект осцилляции выхода электроядерных реакций в кристалле.// Ядерная физика. -1988 - Т.47- Вып.З - С.894-896.

6. Пивоваров Ю.Л., Филимонов Ю.М.. Кулоновское возбуждение ядер в кристалле. Компьютерный эксперимент. // Изв. АН. Сер.физ,- 1994.-Т.58 - N1- С.98-105

7. Filimonov Yu.M. and Pivovarov Yu.L.. Radiation and Ionization Energy Loss of Relativistic: channeled electrons in crystal - a Computer Experiment. // International Symposium on Radiation of Relativistic Electrons in Periodical Structures. Tomsk, 4-8 September 1993 г., p.248

8. Гейссель Г., Кривошеев О.Э., Пивоваров Ю.Л., Филимонов Ю.М.,

Шейденбергер К. Атомное и ядерное резонансное когерентное возбуждение тяжёлых ионов при релятивистских энергиях.// Изв. АН. Сер.физ.- 1995,- Т.59 - N11- С.185-197

9. Кривошеев О.Э.,Пивоваров Ю.Л.,Филимонов Ю.М. Динамика зарядовых состояний и потока релятивистских ионов t/73+ в кристалле кремния.// Поверхность.Физика,химия,механика.- 1995.-N5. С.81-83.

10. Filimonov Yu.M. and Pivovarov Yu.L. Dynamics of charge states of highly charged heavy relativistic ions in the crystal.// 16 International Conference on Atomic Collisions in Solids, Book of Abstracts, Linz, Austria, 1995, p.A51

11. Scheidenberger C., Geissel H., ..., Filimonov Yu.M. et al. Studies of atomic interaction with relativistic heavy ions in crystalline and amorphous matter

Workshop on Channeling and Other Coherent crystall effects at relativistic energy. Book of Abstracts, Aarlius, Denmark, 1995.

12. Pivovarov Yu.L.. Filimonov Yu.M., Geissel H., Krivosheev O.E., Scheidenberger C. On the resonant coherent excitation of heavy ions at relativistic energies // Preprint GSI-95-38, July, 1995 (Darmstadt) (submitted to Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B).

13. Гейгсель Г., Кривошеев О.Э., Пивоваров Ю.Л., Филимонов Ю.М., Шейденбергер К. Атомное и ядерное резонанмное коерентное возбуждение на пучках FRS-SIS GSI.// Поверхность. Физика, химия, .механика.-1995 - N4.- С.86-88.

14. Пивоваров К).Л., Филимонов Ю.М. Радиационные и ионизационные потери энергии релятивистских каналированных электронов в кристалле.// Поверхность. Физика, химия, механика.-1995.- N4.- С.89-93.

15. Пивоваров Ю.Л., Филимонов Ю.М. Когерентное кулоновское возбуждение ядер тТтп при каналировании в кристалле германия. // Поверхность. Физика, химия, механика.-1995 - N4.- С.94-97