Введение к работе
з
Актуальность работы
Пучки быстрых заряженных частиц являются эффективным инструментом исследования состава и структуры конденсированных сред, поэтому исследование особенностей взаимодействия этих пучков с веществом имеет не только научную, но и практическую ценность. Электромагнитные процессы, сопровождающие их прохождение через различные среды, весьма многообразны и недостаточно исследованы. В последние годы был открыт целый ряд так называемых ориентированных эффектов, возникающих в кристаллах при каналировании ионов в них, которые уже нашли широкое применение в радиационной и ядерной физике.
Использование эффекта каналирования заряженных частиц для исследования кристаллов сложного химического состава и структуры позволяет получать уникальную информацию о профилях распределения примесей, радиационных дефектов, а также смещениях атомов из равновесных положений в кристаллической решетке. Особенности метода каналирования в многокомпонентных кристаллах позволяют получить информацию о структуре кристаллов, недоступную другим методам. Так, исследование кристаллов УВагОгзСЬ-х с помощью метода каналирования выявило аномальное скачкообразное изменение величины статических и/или динамических смещений атомов из узлов кристаллической решетки вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Использование «брустверных» областей угловых зависимостей дало возможность определения объемной модели структуры и получить детальную информацию о структурных особенностях кристаллической решетки таких кристаллов как УВагОгзСЬ-х, La2Cu04 и Nd2Cu04.
При проникновении многозарядного иона в твердое тело его зарядовое состояние быстро изменяется благодаря обмену электронами между ионом и твердым телом. Интерес к этому явлению был впервые проявлен в работах Бора и не ослабевает до сих пор. В понимании закономерностей, наблюдаемых при исследовании равновесных зарядовых состояний ускоренных ионов при их прохождении через аморфные твердые тела достигнут значительный прогресс, однако при движении ионов через кристаллические среды возникают новые явления, которые в полной мере не исследованы. В частности, обнаружено, что прохождение тяжелых ионов через ориентированные кристаллы сопровождается проявлением ряда эффектов, нарушающих изотропность
углового распределения первоначально изотропного пучка. Систематическое экспериментальное исследование ориентационной зависимости прохождения различных ионов через различные кристаллы показало существование, так называемых, эффектов «охлаждения» или «нагрева» пучка ионов, движущихся вдоль кристаллографических направлений.
Таким образом, развитие теоретических методов для исследования эффекта каналирования и эволюции зарядовых состояний ионов при прохождении через кристаллы, которым посвящена работа, является актуальным и своевременным.
Цель работы:
Целью настоящей работы является исследование особенностей ориентационных эффектов при прохождении ускоренных ионов, в том числе многозарядных, через кристаллы.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи: 1) получить новые данные об особенностях структуры кислородной подрешетки в кристалле УВагОгзСЬ-х на основе численного решения кинетических уравнений и анализа угловой зависимости выхода упругого резонансного рассеяния 160(a,aV60 каналированных ионов гелия; 2)
разработать кинетическую теорию каналирования многозарядных ионов, учитывающую диффузию в пространстве поперечных импульсов и обмен зарядом между кристаллом и ионом для описания ориентационных эффектов в кристаллах; 3) на основе разработанной теории выявить особенности и закономерности прохождения многозарядных ионов через ориентированные кристаллы; 4) дать физическое объяснение обнаруженным эффектам «охлаждения» и «нагрева» ионных пучков при каналировании в кристаллах.
Научная новизна
Впервые, с помощью разработанной кинетической теории каналирования: выявлены новые особенности строения кислородной подрешетки в кристалле YBa2Cu307-x; дано физическое объяснение обнаруженным эффектам «охлаждения» и «нагрева» ионных пучков при каналировании в кристаллах и проведено исследование прохождения многозарядных ионов через ориентированные кристаллы; предсказан эффект автомодельности угловых распределений при прохождении многозарядных ионов через тонкие ориентированные кристаллы; предсказана зависимость
перехода от эффекта «охлаждения» к «нагреву» изотропного пучка тяжелых многозарядных ионов от глубины их проникновения в кристалл.
Практическая значимость
Проведенные в диссертации исследования позволили получить новые фундаментальные данные о структуре кислородной подрешетки кристалла УВа2Сиз07-х, недоступные другим методам. Разработанная автором кинетическая теория каналирования тяжелых многозарядных ионов, учитывающая диффузию в пространстве поперечных импульсов и обмен зарядом между кристаллом и ионом позволит расширить возможности метода каналирования для получения уникальной информации не только о структурных особенностях кристаллов, но и о физике ион-атомных столкновений.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Из характера угловой зависимости выхода резонансного упругого рассеяния
16о(а,а)160 ионов гелия на атомах кислорода в кристалле YBa2Cu307-x
следует, что в кислородных цепочках имеются вакансии, формирующие разупорядоченную (составляющую не более 20 %) долю атомов кислорода, а атомы кислорода в этих цепочках смещены из положений равновесия в направлениях, перпендикулярных оси <001>.
Кинетическая теория прохождения тяжелых многозарядных ионов через кристаллы, учитывающая как диффузию в пространстве поперечных импульсов, так и обмен зарядом между кристаллом и ионом позволяет дать физическое объяснение обнаруженным эффектам «охлаждения» и «нагрева» ионных пучков при каналировании в кристаллах.
Проявление эффектов «охлаждения» или «нагрева» пучков тяжелых многозарядных ионов определяется различной зависимостью вероятностей захвата и потери электронов от прицельного параметра при взаимодействии ионов с атомными цепочками.
При прохождении многозарядных ионов через тонкие ориентированные кристаллы относительные угловые распределения обнаруживают свойство автомодельности, переход от эффекта «охлаждения» к «нагреву» изотропного пучка тяжелых многозарядных ионов зависит не только от энергии ионов, но и от глубины их проникновения в кристалл.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на международных, всероссийских, межвузовских и студенческих конференциях и школах: 36-ой и 37-ой Международных конференциях «По физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами» Россия, г. Москва, 2006 и 2007 г.; 11-ой и 12-ой Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых, г.Екатеринбург, 2005, г. Новосибирск 2006 г.; Международной конференции «Many-Particle Effects in Radiation Physics», г. Белгород, 2004 г.; Российской межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем», Москва, 2006 г.; 7-ой Баксанской школе экспериментальной и теоретической физики, Кабардино-Балкария, Приэльбрусье, 2006 г.
Публикации:
Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в журналах «Физика твердого тела», «Журнал технической физики», «Письма в ЖТФ», «Известия ВУЗов, физика», «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research». Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах [1-16].
Личный вклад автора
Автором разработаны алгоритмы решения кинетических уравнений и выполнены все численные расчеты. Автор принимал непосредственное участие в постановке всех рассмотренных в диссертации задач, обсуждении полученных результатов и подготовке публикаций. Соавторы принимали участие в постановке задач, проведении экспериментальных работ по каналированию ионов в кристалле УВагОгзОу-х и обсуждении полученных результатов.
