Введение к работе
з .
Актуальность темы. Развитие атомной энергетики, ядерной физики, исследование околоземного космического пространства, разработка и запуск различного типа ускорителей и атомных реакторов способствовали повсеместному изучению и количественному описанию процессов взаимодействия частиц с веществом. Особое место при этом занимают задачи, связанные с прохождением частиц через твердые тела, в частности металлы и полупроводники. В результате взаимодействия по пути движения первичных частиц рождаются вторичные электроны, фотоны, возбужденные атомы и т.д. генерируются первично-выбитые атомы (ПВА), которые являются родоначальниками атом-атомных каскадов в веществе. Последовательно взаимодействуя с атомами среды, ПВА образуют вторично-выбитые атомы, третичные и т.д. После прохождения каскада атом-атомных соударений в веществе образуются различные радиационные дефекты: вакансии, междоузельные атомы, дивакансии и т.д. В зависимости от структуры твердого тела, наличия тех или иных примесей,.типа и энергии первичных частиц, температуры материала и т.д. происходит изменение многих свойств облученного вещества и материал при этом существенно "повреждается". Одной из основных характеристик является энергетический спектр первично-выбитых атомов (ПВА), используя который можно рассчитать концентрацию образующихся дефектов и моделировать их распределение по глубине. В последнее время большое развитие получил каскадно-вероятностный (KB) метод. Он успешно применяется при решении космофизических, радиаци-онно-физических задач и задач познтрошгой физики. Основа метода заключается в получении и дальнейшем использовании каскадно-вероягностных функций (КВФ), которые имеют смысл вероятности достичь частице некоторой глубины h после п-го числа соударений. Такие функции получены ранее для различных
4 частиц и античастиц, в частности при сохранении направления движения первичной частицы после взаимодействия и когда пробег на взаимодействие постоянен и т.д.
Существенный интерес при этом представляет получение и моделирование на ЭВМ новых КВФ и радиационных дефектов для случая, когда параметры элементарного акта зависят от энергии в металлах, облученных заряженными частицами: электронами, протонами, а-частицами и ионами.
Цель работы. Целью работы явяяется разработка физических моделей и получение новых каскадно-вероятностных функций для электронов, протонов, альфа-частиц и ионов, анализ этих функций, расчет их на ЭВМ, а также расчеты спектров первично-выбитых атомов и концентрации радиационных дефектов в металлах, облученных электронами, протонами, альфа-частицами и легкими ионами с использованием этих функций для случая, когда пробег на смещение и другие параметры зависят от энергии, а потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов среды учитываются в рамках "непрерывной модели".
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
- разработать физическую и математическую модель каскадно-
вероятностных функций для электронов, протонов, альфа-частиц и ионов с уче
том зависимости параметров элементарного акта от энергии;
на основании рекуррентных соотношений и простых аппроксимаций для сечений смещений получить аналитические выражения КВФ для заряженных частиц;
провести детальный математический анализ КВ-фуикций, установить области их определения и применения, изучить свойства КВФ, разработать алгоритмы, получить соответствующие выражения этих функций, удобные для расчета на ПЭВМ, произвести расчеты КВФ для различных значений физических параметров элементарного акта и провести расчет энергетических спектров ПВА
5 и концентрации радиационных дефектов в металлах, облученных электронами, протонами, а-частицами и ионами;
- произвести анализ и сравнение полученных расчетных зависимостей с экспериментальными данными.
Научная новизна. Разработана физическая модель и получено аналитическое выражение для каскадно-вероятностной функции для электронов, генерирующих первично-выбитые атомы в металлах для случая, когда пробег на смещение зависит от энергии первичной частицы. Произведена аппроксимация сечений на смещение простыми аналитическими выражениями с высоким коэффициентом корреляции (0,999 и выше).
Проведен математический анализ, составлено несколько вариантов алгоритма и выполнены расчеты КВФ на ЭВМ с учетом реальных потерь энергии электронов на ионизацию и возбуждение. Рассчитаны глубинные распределения концентрации точечных дефектов в ряде металлов, облученных электронами.
Созданы физические модели и получены новые аналитические выражения для каскадно-вероятностных функций для протонов, а-частиц, ионов, спектров ПВА и концентрации каскадных областей в металлах.
Изучен ряд особенностей в поведении КВФ для этих частиц. Показано, что каскадно-вероятностная функция для ионов при определенных условиях переходит в КВФ для протонов и а-частиц. Составлены алгоритмы вычисления КВФ для нуклонов, а-частиц и ионов. Произведены расчеты КВ-функций на ПЭВМ для различных элементов периодической системы Менделеева (как для налетающих частиц, так и для мишени).
Произведены расчеты энергетических спектров первично-выбитых атомов и концентрации каскадных областей в различных элементах, облученных протонами (1-30 МэВ), а-частицами (1-50 МэВ) и ионами (100-1000 кэВ).
Выявлен ряд закономерностей и показано, что корректный учет ряда физических параметров существенно влияет на результаты расчетов. Проведено сравнение теоретических расчетов с имеющимися экспериментальными данными и показано, что они удовлетворительно согласуются между собой.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные физические модели и результаты расчетов позволяют глубже понять процессы радиационного дефектообразования в конденсированных средах и могут быть использованы в своей работе экспериментаторами.
Созданные алгоритмы и комплекс программ могут быть применены в дальнейшем для численных расчетов спектров ПВА и концентрации радиационных дефектов в различных металлах, полупроводниках и соединениях, а также при изучении подобных явлений в твердых телах.
Достоверность полученных в диссертации результатов достигается:
корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
использованием современных методов расчета физических величин и параметров ( каскадно-вероятностные функции, спектры ПВА, концентрация дефектов, параметры элементарного акта);
получением модифицированных выражений КВФ для электронов, протонов, а-частиц и ионов, удобных для численных расчетов на ПЭВМ;
-использованием современного программного обеспечения и масштабирования и расчетами всех физических величин с двойной точностью;
- сравнением полученных в диссертации результатов и выводов с имею
щимися в литературе экспериментальными данными и результатами других ав
торов.
7 На защиту выносятся:
-
Физические модели, новые аналитические выражения, численные алгоритмы и результаты расчетов каскадно-вероятностных функций с учетом потерь энергии для электронов с энергией ЫОМэВ, протонов, а-частиц с энергией 1-50 Мэв, ионов с энергией 100-1000 кэВ, образующих первично-выбитые атомы.
-
Физические модели и результаты расчетов энергетических спектров ПВА и концентрации радиационных дефектов в металлах, облученных электронами, протонами, а-частицами и ионами с использованием КВФ с учетом модифицированных зависимостей пробегов на смещение и других параметров от энергии первичных частиц.
Личный вклад автора состоит:
в разработке физических моделей КВФ, энергетических спектров ПВА и концентрации дефектов при облучении материалов заряженными частицами, выводе аналитических выражений, расчетах на ЭВМ;
в анализе полученных результатов, их обсуждении, формулировке выводов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:
XIV International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry (Denton, 1996).
International Conference on Advanced materials (Strasbourg, 1997,).
International Conference "Signal, data, systems" (Jndia, 1993).
- 4-ой научной Казахстанской конференции по физике твердого тела
(Караганда, 1996).
8 и 9 Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1993, 1996).
XXVII и XXVIII Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1997, ] 998).
Международной конференции "Хаос и структура в нелинейных системах. Теория и эксперимент." (Караганда, 1997).
44-49 ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов АГУ им. Абая (Алматы, 1993-1998 ).
Международной научной конференции "Математическое моделирование в естественных науках." (Алматы, 1997).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 21 работе, в том числе в 14 статьях, 5 тезисах -2 заключительных отчетах. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 121 наименований. Она изложена на 150 страницах машинописного текста, иллюстрируется 18 таблицами и 32 рисунками.