Введение к работе
Актуальность проблемы. Экспериментальные и теоретические исследования последних лет привели к пониманию и описанию многих эффектов, возникающих при каналпрованип 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, из-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 каналировании протонов низких энергий, моделирование поворота релятивистских частиц и вывода пучка из ускорителя изогнутыми монокристаллами, описание экспериментов по излучению электронов и позитронов при каналировании- 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 простргшетва, 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:
-
Развить метод моделирования траекторий заряженных частиц в кристаллах (мультистринговая модель) для исследования когерентных и ориентащюнных явлений при взаимодействии релятивистских ионов и ядер с кристаллами.
-
На основе мультистринговой модели исследовать оссобенности куло-новского возбуждения (KB) в кристаллах-взаимовлияние мультиполь-ности перехода и перераспределения прицельных параметров столкновений на примере KB уровней ПО кзВ (Е1 переход) и 196 кэВ (Е2 переход) ядер >9F :
-
при каналировашш ядра фтора с энергией Е=100 МэВ/нуклон через кристалл Ge вдоль оси < 100 >.
-
при каналировании через кристалл LiF протонов и антипротонов с энергией Е=100 МэВ.
3. Исследовать когерентное кулоновское возбуждение (ККВ) ядер
169Тп1 в кристалле Ge в условиях каналирования (ориентационные
и энергетические зависимости), с целью подготовки эксперимента на
пучке ГСИ (Дармштадт).
4. Исследовать динамику зарядовых состояний релятивистских ионов
U'i+ при прохождении через кристалл Si < ПО > и разработать ме
тод вычисления сечений ионизации ионов электронным ударом, осно
ванный на методе моделирования траекторий с использованием экспе
риментальных 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
-
Показано, что орпентационные зависимости выхода различных процессов при аксиальном каналпровании, при толщинах мишени L < (Г) и L > (I) имеют разный функциональный вид. Величина (Г) определяется средним периодом колебаний частиц пучка в канале.
-
На примере некогерентного кулоновского возбуждения ядра 19F доказана возможность изменения соотношения относительных вероятностей возбуждения ядерных уровней при переходах различной мультипольностп при прохождении ядер через кристалл.
-
Впервые проведён компьютерный эксперимент по вычислению вероятности ККВ ядра тТт при каналированпп в кристалле Ge < 100 >. Получены орпентационные зависимости вероятности ККВ 16ЭТт для разных толщин мишени и показано, что при выполнении условий резонанса вероятность KB при каналированпп в кристалле в десятки раз больше, чем вероятность KB при прохождении через аморфную мишень, для углов разориентации ф С (0 ч- 3^l), где 1рь~ критический угол каналпровапия. Получены зависимости вероятностей ККВ тТт от энергии каналпру-емого ядра для разных углов разориентации и показан резонансный характер этой зависимости.
-
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 возбужденпю ядер пспользуются 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, ГСЙ). 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:
-
Комплекс алгоритмов и 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 ионов и ядер с кристаллами.
-
Из результатов расчётов ионизационных и радиационных потерь электронов, вероятностей кулоновского возбуждения ядра 19F, вероятностей когерентного кулоновского возбуждения ядра i69Tm 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.
-
Результаты расчетов ориентацпонных зависимостей вероятностей когерентного кулоновского возбуждения ядра 159Тт при каналировании в кристалле Ge вдоль направления < 100 > для разных толщин мишени и энергий ядер. ~ 2.16. -
-
Результаты расчётов зависимости вероятности когерентного кулоновского возбуждения ядра '^XVrc при каналировании в кристалле Ge 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.
-
Метод расчёта сечений ионизации многозарядных тяжёлых ионов электронным ударом, основанный на моделировании траекторий понов в кристалле совместно с использованием экспериментальных данных по распределению зарядовых состояний ионов на выходе из кристалла.
