Прямые и резонансные процессы перезарядки быстрых ионов и кинетика их замедления при прохождении через вещество тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ _имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА _

На правах рукописи

БОДРЕНКО Игорь Вячеславович

ПРЯМЫЕ И РЕЗОНАНСНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕЗАРЯДКИ БЫСТРЫХ ИОНОВ И КИНЕТИКА ИХ ЗАМЕДЛЕНИЯ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре физики атомного ядра физического факультета и в Научно-исследовательском институте ядерной физики им.Д.В.Скобельцына Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор В.В.Баташов

Официальные оппоненты :

доктор физико-математических наук, В.А.Эльтеков;

доктор физико-математических наук, профессор Н.П.Каташников

Ведущая огранизация:

Московский авиашюнно-технологнческий университет им. К.Э.Циолковского,

г. Москва

Зашита состоится «2//» 1998 г. в « /Л" » час. на

заседании Диссертационного совета К-053.05.23 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, г.Москва. Воробьевы горы. НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, ауд.2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан « 2/ » со^уу СЛ^^х 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

и О.В.Ч\'манова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Физика взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом продолжает привлекать все большее внимание со стороны исследователей. Это связано, в первую очередь, с ростом практических приложений данной области. Потоки ионов легко управляются электрическими и магнитными полями, что позволяет получать хорошо сфокусированные пучки требуемых энергий. В отличие от многих видов проникающего излучения (электроны, нейтроны, гамма-кванты) быстрые ионы обладают узко направленным пробегом в веществе. Это позволяет проводить глубокие структурные изменения в строго ограниченном объеме вещества и определяет известные применения ионных пучков для распыления, модификации свойств твердых тел, радиационной терапии. Кроме того, ионные пучки являются важным, а для ряда задач и уникальным инструментом диагностики поверхностных и приповерхностных слоев твердых тел.

Возникающие в этой области теоретические вопросы всегда привлекали внимание ведущих теоретиков. Достаточно назвать имена Н.Бора, Г.Бете, Э.Ферми, Л.Ландау, Й.Линдхарда. Такой интерес обусловлен смежностью данной области, где почти в каждой задаче одновременно используются методы квантовой теории атома, квантовой теории твердого тела, квантовой и классической теории рассеяния, физической кинетики. В решении многих практических задач часто одновременно используются строгие результаты, полученные из первых принципов, и феноменологические или интуитивные понятия, о применимости которых можно судить лишь по совпадению конкретного расчета с экспериментом. Обоснование и определение границ применимости различных феноменологических понятий и является интереснейшей теоретической задачей, решение которой практически всегда позволяет получать новые результаты и разрабатывать эффективные методы расчета.

При исследовании физических систем с большим числом степеней свободы часто имеет место ситуация, когда экспериментально невозможно точно зафиксировать состояние системы, а можно определить лишь некоторые статистические функции состояния системы, являющиеся его усредненной характеристикой. При теоретическом рассмотрении таких задач существует, как известно, два подхода. Первый - динамический -состоит в том, что мы точно решаем задачу с учетом всех степеней свободы, а затем проводим усреднение результата с учетом конкретных условий эксперимента. Преимуществом такого подхода является его физическая строгость, а недостатком - огромная размерность задачи и, как

з

следствие, громоздкость вычислений. Второй подход - статистический -состоит в том, что исходя из общих уравнений, выводятся уравнения сразу для тех статистических функций состояния системы, которые непосредственно измеряются в эксперименте. Редуцированная таким образом задача имеет гораздо меньшую размерность, что является важным преимуществом подхода. Основным недостатком статистического метода является тот факт, что не всегда исходная задача строго сводится к уравнениям для измеряемых статистических функций. Часто приходится делать дополнительные приближения, в зависимости от условий задачи, о применимости которых можно судить лишь на основе сравнения с экспериментом или более строгим расчетом. Другим недостатком статистического подхода является недостаточная разработанность методов решения многих возникающих здесь математических задач. Тем не менее, для многих задач статистический подход является единственно возможным и оправданным (системы с числом частиц порядка числа Авогадро, для которых давно разрабатываются классическая и квантовая статистики). Кроме того, вывод соответствующих статистических уравнений и исследование области их применимости позволяет определять необходимый набор параметров (динамические параметры), характеризующих систему «в среднем», с необходимой точностью.

В задачах взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом, в которых определяющим является пространственное движение частиц (внедрение в вещество, отражение от поверхности, прохождение сквозь пленки и др.) динамический подход на основе классической механики представлен методом моделирования траекторий в его различных вариантах ( метод молекулярной динамики или метод множественного взаимодействия, метод парных коррелированных столкновений, метод парных случайных столкновений). Статистический подход в таких задачах исследовался на основе кинетических уравнений типа Больцмана, которые физически эквивалентны методу парных случайных столкновений.

На протяжении длительного времени вопросы перезарядки ионов при их прохождении через вещество изучались с точки зрения элементарных процессов потери и подхвата электронов и получения пучков многозарядных ионов. В прикладных задачах (распыления, имплантации, диагностики и др.) учет внутренней структуры ионов проводился полуфеноменологически, в рамках известной концепции "эффективного заряда". Это обусловлено, с одной стороны, большим успехом динамического подхода для описания взаимодействия ионов с веществом, с помощью которого не только были объяснены многие экспериментальные результаты, но и открыты новые эффекты (самый известный пример -каналирование). В рамках динамического подхода понятия эффективного заряда оказалось достаточно для решения многих практических задач. С

другой стороны, включение перезарядки в динамический подход потребовало бы значительного увеличения размерности задачи и времени вычисления, и без того почти предельного для современных ЭВМ. К настоящему времени, однако, необходимость более точного учета зарядовых состояний не вызывает сомнений практически во всех приложениях ионных пучков. Это приводит к необходимости разработки статистических методов учета перезарядки. Движение иона можно практически всегда рассматривать как классическое и в статистическом подходе описывать классической функцией распределения. Внутренняя же структура иона подчиняется квантовым законам, и статистически должна рассматриваться на языке матрицы плотности. Взаимное влияние квантовых и классических степеней свободы в таких условиях может приводить к интересным явлениям. Таким образом, в этой области физики возникает уникальная теоретическая задача, решение которой требует сочетания методов квантовой и классической кинетической теории. Создание соответствующего аппарата и изучение различных эффектов в этой области находится только в начальной стадии в настоящее время.

Цель работы - разработка и применение статистического подхода в классических и квантовых задачах взаимодействия быстрых ионов с веществом.

На\чная новизна.

На основе кинетического подхода Ландау с единых позиций рассматривается кинетика замедления быстрых точечных и составных частиц в веществе, анализируются различные кинетические ситуации (предел малого числа столкновений, диффузионное приближение и др.), соответствующие методы решения кинетических уравнений и их применимость. В диффузионном приближении получены упрощенные кинетические уравнения (в интегральной форме и в виде уравнений в частных производных), позволяющие легко, но адекватно учитывать перезарядку при исследовании торможения ионов в веществе.

Разработан метод прослеживания эволюции спиновой матрицы плотности атомной системы в произвольно ветвящемся каскаде ненаблюдаемых электромагнитных переходов.

На языке спиновой матрицы плотности проведено теоретическое исследование эффектов выстраивания углового момента каналированного иона в условиях резонансного когерентного возбуждения.

Научная и практическая ценность.

Проведенный анализ замедления быстрых ионов в веществе вносит вклад в понимание кинетики процесса и определяет набор динамических параметров, которые управляют процессом в различных условиях. Разработанный метод расчета спектров энергетических потерь ионов в предравновесном режиме может быть использован при анализе современных экспериментов по взаимодействию ионов с веществом.

Разработанный метод прослеживания эволюции спиновой матрицы плотности атомной системы в произвольно ветвящемся каскаде ненаблюдаемых электромагшггных переходов позволяет рассчитать угловое распределение излучения на любой стадии каскада и актуален при анализе современных экспериментов по диэлектронной рекомбинации ( и аналогичным процессам) ионов при взаимодействии с веществом.

Проведенный расчет выстраивания каналированных ионов в условиях когерентного кулоновского возбуждения (РКВ) обнаруживает большую чувствительность к параметрам модели процесса и может способствовать построению полной адекватной теории РКВ, отсутствующей в настоящее время.

Апробация работы.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на V международном совещании «Автоионизационные явления в атомах» (Дубна, 1995). XV Международном семинаре по ион-атомным столкновениям (Будапешт, 1997), на XIII международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Звенигород, 1997) и на научных семинарах НИИЯФ МГУ.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, основные из которых приведены в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка летературы. Каждая из глав состоит из введения, теоретической части, численных расчетов и заключения. Общий объем составляет 105 страниц, включая 2 таблицы и 25 рисунков. Список литературы содержит 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации в статистическом подходе рассмотрены три задачи взаимодействия ионов с веществом, в которых важную роль играет перезарядка.

Во Введении обосновывается актуальность темы, ставятся цели и задачи исследования. Кратко изложено содержание работы по главам.

В главе 1 рассматривается кинетика замедления ионов в веществе. Здесь определяющим является пространственное движение нона как целого, и описание основано на классических кинетических уравнениях. Зарядовые состояния описываются диагональными элементами матрицы плотности иона.

В §1.1 кратко описываются известные подходы к проблеме замедления тяжелых частиц в веществе. Обсуждается область применимости статистического подхода на основе кинетических уравнений типа Больцмана. Подробно анализируется современная ситуация с вопросом торможения быстрых ионов.

В §1.2 в приближениях малых относительных потерь и малоуглового рассеяния, на основе уравнения Ландау, анализируется кинетика замедления быстрых точечных чаепш. Рассматриваются различные кинетические ситуации ( предел матого числа столкновений, предел асимптотически большого числа столкновений ) и соответствующие им математические модели. Изложение ведется без конкретизации явного вида транспортных сечений - динамических параметров задачи, - что позволяет четче увидеть и понять чисто кинетическую сторону вопроса.

В §1.3 подход Ландау обобщается, следуя К.Винтербону, на случай замедления составных частиц - ионов. Рассматриваются различные кинетические ситуации ( предел малого числа столкновений, предел асимптотически большого числа столкновений ) и соответствующие им математические модели. Для случая ионов задача усложняется возможными переходами между зарядовыми состояниями частицы. Значительного упрощения можно достигнуть предположив, что между перезарядочными столкновениями в веществе ион испытывает асимптотически большое число столкновений, не сопровождающееся перезарядкой. Для таким образом понимаемого диффузионного приближения выведены кинетические уравнения, позволяющие легко рассчитывать спектры энергетических потерь быстрых ионов в тонких слоях вещества с адекватным учетом перезарядки как в условиях зарядового равновесия, так и до его достижения.

В §1.4 проведено моделирование процесса торможения ионов в тонких слоях на основе диффузионного приближения для случаев двух и трех зарядовых состояний. Анализируются основные особенности спектров потерь в предравновесном режиме прохождения тонких слоев.

В §1.5 проводится теоретический анализ недавних экспериментов Х.Огавы (университет г. Нара, Япония) по торможению ионов лития с энергией 10 МэВ на нуклон в тонких углеродных пленках, в которых четко отслеживаются особенности спектров потерь, характерные для предравновесного режима прохождения через вещество. Проводится также сравнение с другими экспериментами.

В §1.6 формулируются основные результаты главы.

В главе 2 рассмотрена задача оо анизотропии излучения в процессе диэлектронной рекомбинации (ДР) - одном из важных резонансных механизмов перезарядки при взаимодействии ионов с веществом. Здесь определяющую роль играют внутренние степени свободы иона, для статистического описания которых, наиболее эффективен аппарат спиновой матрицы плотности.

В §2.1 кратко описаны существующие экспериментальные и теоретические методы исследования ДР. Обосновывается необходимость изучения угловых и поляризационных характеристик излучения, испускаемого в процессе ДР, и необходимость применения для этой цели аппарата спиновой матрицы плотности.

В §2.2 решена задача об эволюции спиновой матрицы плотности в процессе произвольно ветвящегося каскада радиационных переходов, что позволяет рассчитывать угловые и поляризационные характеристики излучения, испускаемого на любой стадии каскада.

В §2.3 проведены расчеты угловых распределений и функций угловой корреляции К-фотонов в процессе диэлектронной рекомбинации водородоподобных ионов кислорода Результаты расчетов показывают сохранение значительной части начапьной выстроенности иона даже в весьма длинных каскадах, что является важным для обработки экспериментов.

В §2.4 формулируются основные результаты главы.

В главе 3 рассматривается явление резонансного когерентного возбуждения (РКВ. эффект Окорокова) в случае плоскостного каналирования водородоподобных ионов. В этой задаче оказывается существенным одновременное описание пространственного движения иона в канале и внутренней структуры иона, и учет их взаимного влияния.

В §3.1 кратко описываются существующие экспериментальные методы изучения РКВ, приведены основные экспериментальные результаты и существующие теоретические подходы.

В §3.2 на основе известных из литературы модельных представлений проводятся расчеты фракции выживания ионов каналированных в условиях РКВ в плоскости (100) монокристалла золота. Установлено качественное согласие различных вариантов расчета с имеющимися экспериментальными данными группы Ш.Датна (Оак Ридж, США). Кроме того, для тех же условий проведены расчеты поляризационных параметров возбужденного состояния каналированного иона азота, динамически формирующихся в условиях РКВ, и угловых распределений испускаемого излучения. Показана их большая чувствительность к условиям каналирования и модели РКВ.

В §3.3 проведен анализ проведенных расчетов и показана недостаточность существующей системы понятий и приближений для количественного сравнения с экспериментом. Предлагаются новые факторы, учет которых может улучшить согласие теории и эксперимента.

В Заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты, выносимые на защиту.

• На основе кинетического подхода Л.Д.Ландау с единых позиций рассматривается кинетика замедления быстрых точечных и составных частиц в веществе, анализируются различные кинетические ситуации (предел малого числа столкновений, диффузионное приближение и др.), соответствующие методы решения кинетических уравнений и их применимость.

» В диффузионном приближении получены упрощенные кинетические уравнения (в интегральной форме и в виде уравнений в частных производных), позволяющие легко, но адекватно учитывать перезарядку при исследовании торможения ионов в веществе. Создан комплекс программ для решения соответствующих уравнений.

• Для частного случая двух зарядовых состояний в приближении непрерывных потерь для энергетических распределений ионов при прохождении через вещество получены компактные аналитические выражения.

• Проведено моделирование процесса замедления ионов при прохождении через вещество в предравновесной области на примере двух и трех

зарядовых состояний. Дан анализ влияния различных параметров на форму спектра энергетических потерь.

• Выполнен анализ экспериментальных данных по торможению быстрых ионов в тонких аморфных пленках, который продемонстрировал удобство и физическую обоснованность диффузионного приближения для описания кинетики замедления быстрых ионов в веществе.

• На основе аппарата спиновой матрицы плотности и кинетического уравнения Паули разработан метод расчета функции угловой корреляции каскадных фотонов, а также углового распределения фотонов, испускаемых в процессе диэлектронной рекомбинации (ДР) на любой ступени каскада радиационных и Оже-переходов.

• Впервые исследовано, как начальная выстроенность углового момента иона, возникшая в процессе резонансного захвата электрона, передается в каскаде ненаблюдаемых электромагнитных переходов нижележащим состояниям и проявляется в анизотропии углового распределения и угловой корреляции излучаемых в процессе ДР фотонов. Пренебрежение эффектом анизотропии может приводить к погрешностям до десяти процентов при обработке данных экспериментов, в которых по выходу характеристического рентгеновского излучения в отдельных направлениях определяется интегральное сечение ДР.

• Для случая плоскостного каналирования проведен анализ существующих приближений в теории резонансного когерентного возбуждения (РКВ). Проведено сравнение различных вариантов расчета фракции выживания ионов Ы6+, каналированных в плоскости (100) монокристалла золота, с имеющимися экспериментальными данными, из которого делается вывод о неполной адекватности существующих представлений о РКВ и обосновывается необходимость внесения в них дополнительных факторов.

• Впервые проведены расчеты поляризационных параметров возбужденного состояния канадированного иона, динамически формирующихся в условиях РКВ, и угловых распределений испускаемого излучения. Показана их большая чувствительность к условиям канатирования и модели РКВ.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. В.В.Балашов, И.В.Бодренко, В.К.Долинов, С.И.Страхова, "Угловая анизотропия каскадных фотонов в процессах диэлектронной рекомбинации ионов." II Оптика и спектроскопия, 1994, том 77, N6, с. 891897;

2. В.В.Балашов, А.В.Бибиков, И.В.Бодренко, "Влияние перезарядки на энергетическое распределение быстрых многозарядных ионов при прохождении через вещество." // ЖЭТФ, 1997, том 111, с. 2226-2236

3. V.V.Balashov, I.V.Bodrenko, "Non-equilibrium energy-loss spectra of fast ions propagating through matter." // Physics Letters A, V.232 (1997), pp. 231233

4. В.В.Балашов, А.В.Бибиков, И.В.Бодренко, "Влияние перезарядки на энергетические и угловые распределения быстрых многозарядных ионов при прохождении через вещество." // Известия РАН, серия физическая, 1998, том 62, No 4, с. 734-743.

5. V.V.Balashov, V.V.Bodrenko, V.K.Dolinov, S.I.Strakhova, "Alignment transfer in multi-branching cascade of radiative transitions in the dielectronic recombination process" // 5th International Workshop "Autoionization Phenomena in Atoms", Dubna, Russia, December 12-14, 1995, Abstracts, Moscow University Press, p. 70.

6. V.V.Balashov, I.V.Bodrenko, "Density-martix calculations for resonant coherent excitation of fast highly charged hydrogenic ions in single crystals" // 6th Workshop on Fast Ion-Atom Collisions, Debrecen, September 4-6, 1996, Program and Abstracts, p.38.

7. V.V.Balashov, I.V.Bodrenko, "Charge-exchange effects in energy loss spectra of fast ions propagating through matter" // XX.ICPEAC, Scientific Program and Abstracts of Contributed Papers, Vienna, Austria, 23-29 July, 1997, Volume I, Fr.l 35.

8. В.В.Балашов, А.В.Бибиков, И.В.Бодренко. "Влияние перезарядки на энергетическое распределение быстрых многозарядных ионов при прохождении через вещество." Н Материалы XIII Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью", Звенигород, 1-5 сентября, 1997, том 1, с. 7-10.