Введение к работе
Актуальность темы. Позитроны как инструменты исследования внутренней структуры вещества широка- используются да» изучения физико-химнческ-нх свойств твердых тел. Информация о строении исследуемого образца в области аннигиляции позитронов, получаемая с помощью метода электрон-позитронной аннигиляции (ЭПА), -часто недоступная для других методов, способствует его интенсивному развитию, Совершенствование экспериментальной базы традиционных методик ( измерения времени жизни позитронов, углового и- энергетического распределения аннигняяцноиных фотонов), происшедшее в последние годы существенно повысили достоверность и точность получаемых с его помощью данных. Создание установок для получения моноэнергетических пучков медленных позитронов открыло новые возможности для использования- позитронов в исследовании внутренней структуры твердых тел. В настоящее время ведутся работы по созданию установок для получения пучков атомов позитрония. Успешное применение позитронов для изучения .строения вещества невозможно без теоретического описания процессов, происходящих с позитроном с момента его попадания в образец до его аннигиляции. К началу выполнения настоящей работы, были заложены основы теории состояний позитронов в кристаллических твердых телах и предложено большинство моделей, используемых для их описания. Модельные расчеты состояний позитронов в металлах, выполненные к началу 80-х годов, вполне удовлетворительно согласовывались с имевшимися экспериментальными данными, что, с одной стороны, позволило считать физическую картину аннигиляции позитронов качественно ясной, а, с другой стороны, служило основой практических применений метода ЭПА. В кристаллах с преимущественно ионным типом связи и полупроводниках экспериментально наблюдаемая картина существенно сложней. Здесь имеет место более сложная структура аннигиляционных спектров (очевидно, обусловленная наличием нескольких состояний позитронов), для которой не существует однозначной
интерпретации как с точки зрения эксперимента, так и теории. Теоретические расчеты возможных состояний позитронов и их характеристик, поэтому, необходимы не только для практических приложений метода ЭПА, но и для установления- физической -картаны аннигиляции позитронов в данных материалах. Другое интересное- направление в применении позитронов, развиваемое в последние годы, - использование явления каналирования заряженных частиц для уяравления-выводом-иучков из ускорителей-и создание источников излучения. Для этого- также необходимо теоретическое знание свойств каналирующих частиц и процессов с их участием. R середине 70-х - начале SO-х «адов были |шрабатаны теоретические методы, позволяющие из первых принципов рассчитывать электронную структуру сложных реальных кристаллов. На этой основе стало возможным разработать методики и провести на современном уровне расчеты состояний позитронов и их аннигиляционных характеристик в твердых телах. Таким образом, целью настоящей работы являлось систематическое теоретическое изучение состояний позитронов на основе современных самосогласованных методик расчетов электронного строения твердых тел и исследование характеристик позитрония (позитрониевоподобных систем) в матрице кристаллических материалов ( металлы, диэлектрики, полупроводники ) в различных условиях.
Научная новизна. В работе впервые были получены следующие результаты: определены типы состояний позитронов, реализующиеся в щелочногапоидных кристаллах; изучены делокаяизованные позитрониевые состояния а диэлектрических кристаллах и установлены факторы, существенным образом влияющие на их свойства; изучены корреляционные эффекты в локализованных позитрониевых состояниях и предложена модель для их описания; разработана методика расчета квазисвободных состояний позитронов и их аннигиляционных характеристик из первых принципов и выполнены расчеты характеристик позитро+юа-на основе самосорлаооваиных расчетов электронной структуры- «.«встояний позитронов в кристаллических материалах различных типов (металлы, диэлектрики, полупроводники); показана возможность рождения фотоном электрон-позитронных пар, движущихся в режиме каналирования, при малых углах между импульсом
фотона и системой кристаллографических плоскостей; показана возможность образования связанных состояний электрон-позитронных пар, движущихся в режиме плоскостного каналирования (каналирующий позитроний) и изучены свойства их основного состояния.
Достоверность теоретических результатов достигнута физической и математической корректностью поставленных задач, использованием современных методов расчетов. Защищаемые научные положения подтверждаются сопоставлением рассчитанных харакгеристик позитронов в кристаллах с широким набором современных экспериментальных данных и их хорошим согласием.
Научная и практическая ценность. Разработанный в работе метод расчета квазисвободных состояний позитронов позволяет единым образом (в рамках метода ЛМТО) описывать электронные и позитронные состояния в кристаллах и рассчитывать их аннигиляционные характеристики, что необходимо для исследований физико-химических свойств реальных твердых тел с помощью метода электрон-позитронной аннигиляции. На основе проведенных расчетов определены энергетические, динамические и аннигиляционные характеристики позитронов в кристаллических материалах различных типов. Предложенная в работе модель локализованных позитрониевых состояний позволяет рассматривать широкий спектр состояний такого типа в кристаллических твердых телах различных типов. Изучение корреляционных эффектов для локализованной позитрониевой пары позволило предложить способ расчета фактора усиления скорости аннигиляции, повышающий точность расчетов времени жизни позитронов в кристаллах. Предсказанная в работе возможность рождения электрон-позитронных пар, движущихся в режиме каналирования и образования их связанных состояний (каналирующий позитроний) могут использоваться для получения пучков электрон-позитронных пар с заданными свойствами и их управления. На зашиту выносятся три группы результатов:
1. Развитие теории квазисвободных состояний позитронов в кристаллах с различным типом связи, результаты расчетов характеристик позитронов в ряде металлов и ионных кристаллов на основе самосогласованных расчетов
электронной структуры и состояний позитронов и физическая интерпретация аннигиляционных спектров позитронов в данных материалах.
-
Модели и рассчитанные характеристики локализованных и делокализованных позитрониевых состояний в кристаллах с ионным типом связи.
-
Влияние эффекта каналирования заряженных частиц при фоторождении позитрон - электронных пар в кристаллах, предсказание возможности образования и рассчитанные свойства их связанных состояний (каналирующий позитроний).
Апробация работы. Результаты работ, вошедших в диссертацию докладывались на V, VI и X Всесоюзных семинарах по моделированию радиационных и других дефектов на ЭВМ, Всесоюзной конференции по теории атомов и молекул (Вильнюс, 1979), VI Международной конференции по атомной физике (ICAP6, Рига, 1978), Международной конференции "Дефекты в дюлектрических кристаллах" (Рига, 1981), XXXII, XXXVI Всесоюзных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Киев, 1982, Харьков, 1986), Всесоюзном семинаре "Нитриды. Методы получения, свойства и области применения (Рига, 1984), Всесоюзном семинаре "Позитрониая диагностика твердых тел. Межчастичные корреляции" Ташкент, 1984), V Международной конференции по аннигиляции позитронов (ICPA5, New Delhi, 1985), V и VI Всесоюзной конференции по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Рига, 1983, 1986), XXI конференции Финского физического общества (Mariehamn, 1987), II школе-семинаре "Физика и химия твердого тела" (Благовещенск, 1988), XX Международном симпозиуме 'Электронная структура твердых тел" (Дрезден, 1990), XXIV и XXV Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, МГУ, 1994,1995), Международном Симпозиуме по излучению релятивистских электронов в периодических структурах (Томск, 1995 г.), Международной, конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1996).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в: 28 работах, перечень их наименований приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, S глав, заключения и приложения. Содержание изложено на 228 страницах и включает 38 рисунков, 30 таблиц и список из 221 библиографических ссылок.