Роль каскадных распадов вакансий в электронных оболочках атомов в воздействии ионизирующих излучений на вещество Чайников Александр Павлович

Введение к работе

Актуальность темы. Теоретическое описание взаимодействия ионизирующих излучений с веществом является актуальной задачей во многих областях науки, промышленности и здравоохранения. В физике конденсированного состояния эта задача имеет принципиальное значение, поскольку на взаимодействии ионизирующих излучений с веществом основаны многочисленные экспериментальные методы рентгеновской [1] и электронной [2] спектроскопии, предназначенные для определения химического состава, пространственной структуры и электронного строения конденсированных веществ и материалов.

Ионизирующее излучение также широко используется в медицине (компьютерная томография и лучевая терапия), в электронной промышленности (рентгеновская и электронно-лучевая литография). Особо можно выделить такое направление, как проектирование детекторов частиц. В одних случаях разрушающий эффект ионизирующих излучений является фактором, который необходимо минимизировать, а в других, наоборот, усилить, или локализовать в некоторой области пространства, как, например, при лучевой терапии злокачественных опухолей. Для решения подобных задач необходимы точные и надежные методы теоретического описания процессов, происходящих в веществе под воздействием ионизирующего излучения.

Одним из фундаментальных процессов, происходящих в веществе под действием ионизирующего излучения, является каскадный распад вакансий в ионизированных атомах. Безрадиационные электронные переходы при распаде вакансии приводят к многократной ионизации атома. Многократно-ионизированный атом, входящий в состав молекулы, может существенно изменить структуру молекулы или разрушить её. Кроме этого, электроны и фотоны, испускаемые ионизированным атомом в ходе развития каскадного распада вакансии, могут обладать энергией достаточной для ионизации соседних атомов вещества. Таким образом, процессы каскадного распада вакансий могут существенно усилить разрушающее действие ионизирующего

излучения. В связи с этим очевидна необходимость учета процессов распада вакансий при теоретическом описании взаимодействия ионизирующих излучений с веществом.

На данный момент в мире имеется большое число теоретических моделей и компьютерных программ ([3, 4] и ссылки в них), предназначенных для моделирования распространения ионизирующих излучений в веществе. Однако при описании процессов каскадного распада вакансий в существующих моделях используются сильные упрощения. В большинстве случаев, например, при моделировании распада вакансий используются вероятности и энергии электронных переходов [5] для атомов, содержащих всего одну вакансию. Но распад внутренней вакансии, как указывалось выше, приводит к увеличению их числа. Поэтому использование подобного приближения является во многих случаях неоправданным и может привести к существенным ошибкам.

В связи с этим имеется необходимость в разработке метода компьютерного моделирования воздействия ионизирующих излучений на вещество, в котором процессы каскадного распада вакансий учитывались бы точнее, а именно, с использованием парциальных ширин и энергией электронных переходов, зависящих от электронной конфигурации иона с распадающейся вакансией.

Таким образом, тема диссертации, посвященной определению роли процессов каскадного распада вакансий в электронных оболочках атомов при воздействии ионизирующих излучений на вещество, является актуальной.

Цель работы: Определение роли процессов каскадного распада вакансий в электронных оболочках ионизированных атомов при воздействии ионизирующих излучений на вещество.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Разработать метод детального Монте-Карло моделирования взаимодействия фотонов и электронов с веществом с учетом наиболее

вероятных в рассматриваемой области энергий процессов, в том числе процессов каскадного распада вакансий в электронных оболочках атомов;

1. Реализовать разработанный метод Монте-Карло моделирования взаимодействия фотонов и электронов с веществом в виде компьютерной программы;

2. Рассчитать исходные числовые данные, необходимые для проведения компьютерного Монте-Карло моделирования воздействия фотонов на исследуемые объекты:

– одноэлектронные волновые функции и полные энергии атомов и ионов в различных многодырочных конфигурациях;

– парциальные ширины и отношения ветвления радиационных и безрадиационных переходов в ионизированных атомах;

– парциальные сечения фотоионизации атомов;

– парциальные сечения ионизации и возбуждения атомов электронным ударом;

– полные и дифференциальные сечения упругого рассеяния электронов на атомах;

4. Рассчитать функции плотности вероятности обнаружения электронов с определенными значениями энергии в конечном состоянии процесса ионизации атома электронным ударом и найти для этих функций аппроксимирующие аналитические формулы;

5. Провести компьютерное Монте-Карло моделирование воздействия фотонов на исследуемые объекты при различных энергиях первичных фотонов.

Объекты исследования. Для проведения компьютерного Монте-Карло моделирования воздействия фотонов на вещество в качестве облучаемых фотонами мишеней выбраны

изолированный атом неона;

конденсированный неупорядоченный неон;

конденсированный неупорядоченный неон с примесью атомов Fe.

Научная новизна. В ходе исследований впервые

1. Разработан алгоритм и написана компьютерная программа, позволившие достаточно строго учесть процессы каскадного распада вакансий в электронных оболочках ионизированных атомов при Монте-Карло моделировании воздействия фотонов или электронов с энергиями до нескольких тысяч ридбергов на вещество в конденсированном неупорядоченном состоянии.

2. Проведено компьютерное Монте-Карло моделирование воздействия фотонов с энергиями до 1000 Ry на конденсированный неупорядоченный неон с детальным анализом траекторий всех вторичных фотонов и электронов, в том числе испущенных при каскадных распадах вакансий, и процессов их взаимодействия с атомами мишени.

3. Количественно показана роль процессов каскадного распада вакансий в электронных оболочках ионизированных атомов, как одного из существенных механизмов воздействия ионизирующих излучений на вещество, и обоснована возможность оптимизации режимов облучения материалов и тканей живых организмов при решении различных задач промышленности, биологии и медицины.

4. На примере моделирования воздействия фотонов на конденсированный неупорядоченный неон с небольшой примесью атомов железа (от 0.25 до 4 ат.%) доказано, что добавление в мишень, состоящую преимущественно из атомов элементов второго периода, тяжелых атомов, подверженных каскадному распаду вакансий, приводит к существенному увеличению поглощаемой атомами мишени энергии.

5. Для элементов второго периода рассчитаны функции плотности вероятности обнаружения в конечном состоянии процесса ионизации атома электронным ударом одного из электронов с заданным значением энергии. Получены аналитические формулы для аппроксимации функций плотности вероятности, имеющие относительно высокую точность в широком интервале энергий налетающего электрона (от порога ионизации до 1000 Ry).

Практическая значимость. Разработанный метод детального Монте-Карло моделирования взаимодействия фотонов и электронов с веществом и полученные научные результаты и выводы дают возможность предсказывать результаты воздействия ионизирующих излучений на вещество в зависимости от состава облучаемого объекта и характеристик ионизирующего излучения. Они позволят выработать стратегии оптимизации режимов облучения в различных задачах промышленности, биологии и медицины. Полученные в работе формулы для распределения энергии между двумя электронами при ионизации атома электронным ударом имеют общий характер и могут использоваться в различных областях науки и техники.

Основные научные положения, выносимые на защиту

6. Процессы каскадного распада внутренних вакансий в ионизированных атомах являются одним из критических факторов, который необходимо учитывать при теоретическом описании воздействия ионизирующих излучений на вещество. Пренебрежение этими процессами приводит к значительным, от десятков до сотен процентов, ошибкам при расчете доли поглощенной энергии, среднего числа вторичных процессов ионизации и числа образующихся ионов.

7. Использование первичных фотонов с энергиями за порогом ионизации глубокой оболочки атома мишени позволяет значительно повысить плотность неупругих процессов вокруг точек первичной ионизации, например, в случае конденсированного неона – на один порядок величины.

8. При моделировании воздействия ионизирующих излучений на вещество необходимо учитывать асимметрию распределения энергии между электронами конечного состояния процесса ионизации атома электронным ударом. Пренебрежение этой асимметрией приводит к существенным, от десятков до сотен процентов, ошибкам при расчете концентраций вторичных процессов ионизации и доли поглощенной энергии.

4. Примесь тяжелых атомов, подверженных каскадному распаду, в мишень, состоящую из атомов элементов второго периода, при облучении фотонами с энергией за порогом ионизации внутренней оболочки атома примеси приводит к существенному увеличению поглощаемой атомами мишени энергии в областях вокруг точек первичной фотоионизации. В случае примеси атомов железа с относительной концентрацией 0.25 – 4 ат. % в конденсированный неон при облучении фотонами с энергией за порогом ионизации K-оболочки атома Fe увеличение поглощаемой энергии составляет 1.2 – 2.7 раза.

Апробация основных результатов проведена на Intern. Conf. on Atomic & Nuclear Physics (Осака, Япония, 2018); 23 Всерос. науч. конф. студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2017); The Intern. Conf. on Many Particle Spectroscopy of Atoms, Molecules, Clusters and Surfaces (Москва, 2016); XXII Всерос. конф. «Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь» (Владивосток, 2016); Всерос. нац. научно-практ. конф. «Современное развитие науки и техники» (Ростов-на-Дону, 2017).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ: 4 статьи, 3 из которых – в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки РФ и индексируемых Scopus и Web of Science, и 6 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях. Публикации автора, снабжённые литерой А, указаны в конце автореферата.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке алгоритма и компьютерной программы Монте-Карло моделирования взаимодействия фотонов и электронов с веществом, учитывающего процессы каскадного распада вакансий в электронных оболочках ионизированных атомов; в Монте-Карло моделировании воздействия фотонов на конденсированный неон при различных значениях энергии фотонов и анализе его результатов; формулировке научных положений, выносимых на защиту, написании статей и в подготовке их к публикации.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы из 92 наименований, списка публикаций автора из 11 наименований, изложенных на 139 страницах, включая 49 рисунков и 12 таблиц.