Введение к работе
Актуальность темы. При движении быстрых заряженных частиц под малым углом к плотноупакованным кристаллическим осям или плоскостям имеют место коллективные коррелированные механизмы взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Среди возникающих при этом физических явлений наиболее известно каналирование заряженных частиц в кристаллах. Коллективное коррелированное взаимодействие заряженных частиц с решеткой кристалла возникает также при скользящем падении пучка на поверхность. Это явление называется полуканалированием. Механизм полуканалирования электронов, в зависимости от энергии частиц, может быть как классическим, так и квантовым. Пороговое значение энергии, ниже которого для полуканалирования электронов необходимо квантовое описание, по порядку величины равно 10 МэВ.
Плоскостное полуканалирование электронов (частица движется под малым углом к поверхности кристалла, однако ее импульс не составляет малый угол ни с какой кристаллической осью) может осуществляться только посредством квантового механизма зонного отражения (Воробьев С. А., 1983). Однако представления об этом механизме являются качественными, и потому попытка его экспериментального исследования была неудачной (Лазарь А.П., Коршунов Ф.П., 1995). Между тем, изучение этого явления представляет интерес потому, что его можно использовать для получения информации об эффективном потенциале взаимодействия электрона с кристаллом в условиях полуканалирования.
Классическая теория аксиального полуканалирования электронов (частица движется под малым углом к параллельной поверхности кристаллической оси) уже построена (Рожков В.В., 1983). Что же касается квантовых-механизмов аксиального полуканалирования электронов, то теоретические и экспериментальные исследования этих процессов до настоящего времени не проводились и о них имеются только общие представления. Не разработаны также численные методы расчета интенсивности отраженных пучков в условиях аксиального полуканалирования.
В последнее время интенсивно исследуется явление поверхностного волнового резонанса, которое проявляется в увеличении интенсивности зеркального рефлекса при дифракции быстрых (порядка десятков кэВ) электронов на отражение. Сейчас считают, что это явление обусловлено коллективным коррелированным взаимодействием электронов с поверхностью кристалла, но из-за отсутствия последовательной квантовой теории аксиального полуканалирования, пока не удалось полностью объяснить ориентационные зависимости интенсивности зеркального рефлекса, которые наблюдаются в таких экспериментах.
Процессы коллективного коррелированного взаимодействия электронов с кристаллом сопровождаются излучением фотонов. Классические механизмы излучения при полуканалировании электронов детально изучены (Рожков В.В!,. 1983). Исследования квантовых механизмов электромагнитного излучения при полуканалировании электронов до настоящего времени проведены не были.
Таким образом, является актуальной научная задача, которая состоит в исследовании квантовых механизмов полуканалирования электронов низких (до 10 МэВ) энергий и квантовых механизмов генерации электромагнитного излучения при полуканалировании электронов, а также зависимости этих механизмов от структуры кристалла и типа поверхности, типа атомов кристалла, ориентации пучка и энергии частиц.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в отделе №34 Института физики твердого тела, материаловедения и технологий (ИФТТМТ) Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт» (ННЦ ХФТИ). Выполнение работы проводилось в рамках «Программы работ по атомной науке и технике ННЦ ХФТИ», которая утверждена постановлением Кабинета Министров Украины №08.05-КМ/03-93 от 19 декабря 1996г. В выполнении работ по этой программе автор диссертационной работы принимал участие как исполнитель.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являются квантовые механизмы полуканалирования электронов и квантовые механизмы генерации электромагнитного излучения при полуканалировании электронов, а также зависимость этих механизмов от структуры кристалла и типа поверхности, типа атомов, ориентации пучка и энергии частиц.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
теоретически исследовать квантовые механизмы плоскостного полуканалирования электронов, получить формулы для коэффициента зеркального отражения;
теоретически исследовать квантовые механизмы рассеяния электронов поверхностью монокристалла в условиях аксиального полуканалирования, получить формулы для интенсивности отраженных пучков;
теоретически исследовать характеристики возникающего при полуканалировании электронов электромагнитного излучения, получить формулы для вероятности радиационных переходов и спектральной интенсивности излучения.
Объект исследования - полуканалирование электронов и генерация электромагнитного излучения при полуканалировании электронов.
Предмет исследования - квантовые механизмы плоскостного и аксиального полуканалирования электронов низких энергий и квантовые механизмы генерации электромагнитного излучения при плоскостном полуканалировании электронов, зависимость распределения отраженных от поверхности частиц в условиях полуканалирования и характеристик возникающего при полуканалировании электромагнитного излучения от структуры кристалла и типа поверхности, типа атомов, ориентации пучка и энергии частиц.
Методы исследования: квантовые механизмы плоскостного полуканалирования электронов исследовались с помощью теории обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка с периодическими коэффициентами.- На основе этой теории были получены формулы для коэффициента отражения. Зави-.
симости коэффициента отражения электронов при плоскостном полуканалировании от энергии электронов и угла скольжения пучка получены путем численного решения задачи Коши для одномерного уравнения Шредингера методом Рунге-Кутта второго порядка. При этом эффективный плоскостной потенциал рассчитывался на основе потенциалов Мольер и Дойля-Тернера. Изучение зависимости зонной структуры спектра уравнения Шредингера от структуры кристалла проводилось при помощи аппроксимации эффективного плоскостного потенциала модельным потенциалом типа Кронига-Пенни. Исследование квантовой задачи об аксиальном полуканалировании электронов проводилось с помощью разработанного в работе метода поверхностных Елоховских функций. Зависимость интенсивности отраженных пучков при аксиальном полуканалировании от ориентации падающего пучка получена с помощью разработанного в диссертации численного алгоритма, который построен на методе поверхностных Елоховских функций. Исследование излучения фотонов при плоскостном полуканалировании проводилось методами квантовой электродинамики. Этими методами получены формулы для вероятности радиационного перехода и спектральной интенсивности излучения и был проведен анализ влияния излучения на отражение электронов при плоскостном полуканалировании.
Научная новизна полученных результатов. При решении поставленной научной задачи соискателем были разработаны следующие новые научные результаты и положения.
-
Впервые исследована зависимость механизма зонного отражения при плоскостном полуканалировании от структуры кристалла, индексов поверхностной плоскости и типа атомов кристалла. Показано, что характер зонного отражения, а именно вид зависимости коэффициента зеркального отражения от энергии электрона и угла скольжения, слабо зависит от типа атомов, а определяется безразмерным параметром, значение которого зависит только от структуры кристалла и индексов поверхностной плоскости.
-
Впервые предложен квантовый механизм отражения электронов низких энергий от поверхности кристалла в условиях аксиального полуканалирования -мультизонное отражение. Показано, что этот механизм может привести к полному отражению электрона.
-
Впсрпыс рассчитаны зависимости коэффициента зеркального отражения при аксиальном полуканалировании электронов от ориентации падающего пучка. Эти расчеты проведены на основе разработанного в работе метода поверхностных Елоховских функций.
-
Предложен квантовый механизм излучения электронов в условиях плоскостного полуканалирования. От ранее изученных квантовых механизмов излучения электронов он отличается тем, что увеличение интенсивности излучения фотона с данной энергией и в данном направлении происходит вследствие когерентного рассеяния электрона на параллельных поверхности атомных плоскостях, находящихся в приповерхностном слое, по толщине равному эффективной глубине проникновения частицы в кристалл.
4 5. Впервые показано, что процесс электромагнитного излучения при плоскостном полукананалировании может уменьшить вероятность отражения электрона. Это имеет место в тех случаях, когда излучение фотона происходит при переходе электрона в режим плоскостного каналирования в приповерхностном слое кристалла.
Практическое значение полученных результатов. Практическое значение полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
Зонное отражение может быть обнаружено экспериментально. В работе определены оптимальные экспериментальные условия для исследования этого явления, а именно тип кристалла, индексы поверхностной плоскости, энергия электронов и угловая ширина области заметного отражения электронов от поверхности.
Разработанный в работе метод поверхностных Елоховских функций можно использовать для исследования других задач о рассеянии волн на двумерных периодических структурах.
Метод поверхностных Елоховских функций позволяет проводить эффективные численные расчеты картин рассеяния при аксиальном полуканалировании электронов. Результаты таких расчетов могут быть использованы для "объяснения экспериментальных данных.
Изученные в работе физические явления целесообразно использовать для проведения экспериментов по исследованию коллективных коррелированных механизмов взаимодействия электронов с поверхностью кристалла и характеристик эффективного потенциала взаимодействия электрона с кристаллом в условиях полуканалнрования, так как эти явления чувствительны к типу структуры кристалла, типу поверхностной плоскости, ориентации пучка и значению энергии электронов.
Личный вклад соискателя. В публикациях [1, 4, 5] соискателем получены форлгулы для коэффициента отражения при плоскостном полуканалировании, объяснена зависимость зонного отражения от типа структуры кристалла и вида отражающей плоскости. В публикации [7] соискателем был предложен метод поверхностных Елоховских функций и на его основе разработан численный алго- . ритм расчета интенсивности отраженных пучков при аксиальном полуканалиро- . вании электронов. В публикациях [2, 6] соискателем получены формулы для вероятности излучения фотона и предложен квантовый механизм излучения при плоскостном полуканалировании.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации доклады
вались на пятом Российско-Японском симпозиуме «Взаимодействие быстрых
заряженных частиц с твердыми телами», Белгород 1996г., на XXIX международ
ной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами,
Москва, 1999г., а также были представлены на XXVI и XXVII международной
конференции. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристалла-.
ми.Москва, 1996 и 1997 г. " "- . ""
5 Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 3 гатьи в научных журналах и 4 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из «Введения», пяти азделов, раздела «Выводы» и списка использованных литературных источников. [олный объем диссертации составляет 159 страниц. Работа содержит 22 рисунка 1 таблицу. Объем рисунков - 10 страниц, объем таблицы - 1 страница. Список спользованных литературных источников содержит 186 наименований, а его бъем 16 страниц.