Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований процесса взаимодействия пучков тяжелых ионов с конденсированными средами. Экспериментальные методы диагностики . 12
1.1 Теоретическое рассмотрение процесса торможения пучков тяжелых ионов в веществе. Особенности передачи энергии пучка ионов конденсированной среде. 14
1.2 Методы диагностики параметров ионного пучка при его торможении в веществе. Рентгеноспектральная диагностика параметров среды, возбужденной тяжелоионным пучком . 20
1.3 Применение и особенности рентгеновской спектроскопии с пространственным разрешением на основе сферически изогнутых кристаллов для диагностики параметров вещества, находящегося в экстремальном состоянии. 25
Глава 2. Рентгеноспектральная диагностика параметров ионного пучка в процессе взаимодействия с конденсированными средами. Эволюция энергетических характеристик и зарядового состояния ионного пучка вдоль диапазона торможения . 32
2.1 Рентгеноспектральпый метод регистрации параметров ионного пучка внутри конденсированной среды. 34
2.1.1 Использование эффекта Доплера для определения скорости ионов в процессе их торможения в среде . 34
2.1.2 Спектральный состав регистрируемого излучения. Излучение ионов различной кратности ионизации. 38
2.1.3 Требования к параметрам используемых мишеней. Пористая наноструктурная кварцевая среда и ее свойства. 41
2.2 Экспериментальная установка для динамического исследования параметров ионного пучка и состояния конденсированных сред в процессе их взаимодействия. 47
2.3 Экспериментальные результаты по диагностике параметров ионного пучка внутри твердотельных сред. 55
2.3.1 Измерение скорости ионов пучка в динамике ее изменения внутри конденсированной среды. Достигаемая точность и возможности измерений. 55
2.3.2 Динамика торможения тяжелых ионов внутри конденсированных сред. Сравнительный анализ результатов экспериментов и численных расчетов. 65
2.3.3 Измерение относительных интенсивностей спектральных линий излучения тяжелых ионов по мере их торможения в веществе. Учет аппаратных функций приборов и условий постановки эксперимента . 70
2.3.4 Эволюция зарядового состояния ионов пучка. Отличие зарядового состава пучка внутри вещества и на выходе из мишени. Общая динамика торможения ионного пучка внутри конденсированной среды. 75
2.3.5 Оптический контроль состояния образцов мишеней после полного времени воздействия ионного пучка. 79
Глава 3. Исследование состояния конденсированной среды в области трека одиночного энергетического тяжелого иона. Рентгеновские спектры излучения среды с пространственным разрешением вдоль оси трека . 83
3.1 Формирование и релаксация возбуждения, создаваемого одиночным тяжелым ионом в веществе, на временах порядка десятков фемтосекунд. 86
3.1.1 Механизмы и величины энерговклада одиночного тяжелого иона в вещество. Характерные пространственные масштабы области первичного возбуждения. 86
3.1.2 Вероятности ионизации электронов на различных орбиталях атомов мишени кулоновским полем тяжелого иона. Параметры вещества в области трека на стадии первичной ионизации. 90
3.1.3 Данные молекулярно-динамического моделирования неидеальной неравновесной плазмы. Характерные времена релаксации электронной и ионной подсистем. 95
3.2 Экспериментальные спектры излучения конденсированных сред различной средней плотности под воздействием тяжелых ионов. Зависимость спектров от параметров возбуждения. 98
3.2.1 Наблюдение спектров диэлектронных сателлитов многозарядных ионов, излучаемых средой при воздействии тяжелоионного пучка. 98
3.2.2 Условие независимости актов взаимодействия единичных ионов со средой и его экспериментальная реализация . 101
3.2.3 Влияние типа воздействующих ионов на спектр излучения мишени. 105
3.2.4 Эволюция возбуждения среды вдоль трека тяжелого иона. 107
3.2.5 Адекватность замены сплошных твердотельных мишеней аэрогельной средой с внутренней наноструктурой. 111
3.2.6 Зависимость спектров излучения сплошных твердых тел от энергии возбуждающих ионов. 113
3.2.7 Наблюдение спектров Ка линии нейтральных атомов и механизмы ее генерации при воздействии тяжелоионного пучка на среду. 115
3.2.8 Измерение длин волн групп диэлектронных сателлитов атомов мишени. 118
3.3 Использование методов радиационной кинетики для моделирования экспериментальных спектров излучения среды в экстремальных состояниях. 122
3.3.1 Моделирование экспериментальных спектров в предположении локального термодинамического равновесия. 122
3.3.2 Необходимость развития неравновесной модели радиационной кинетики, учитывающей временную зависимость излучаемых спектров. 127
Заключение 132
Список цитируемой литературы 136
- Методы диагностики параметров ионного пучка при его торможении в веществе. Рентгеноспектральная диагностика параметров среды, возбужденной тяжелоионным пучком
- Использование эффекта Доплера для определения скорости ионов в процессе их торможения в среде
- Измерение относительных интенсивностей спектральных линий излучения тяжелых ионов по мере их торможения в веществе. Учет аппаратных функций приборов и условий постановки эксперимента
- Условие независимости актов взаимодействия единичных ионов со средой и его экспериментальная реализация
Введение к работе
В последние десятилетия все более широкое применение находят пучки заряженных частиц, ускоренных до высоких энергий. С развитием ускорительной техники создана возможность ускорения тяжелых частиц с массой в десятки и сотни атомных единиц до энергий от сотен МэВ до сотен ГэВ[1-4]. При этом в настоящее время подобные ускорители перестают быть уникальными устройствами, доступными лишь для решения больших фундаментальных задач и получают распространение как элементы технологических процессов в различных отраслях производства. Основной и крайне востребованной особенностью пучков тяжелых заряженных частиц является характерная зависимость удельной величины энерговклада в вещество от глубины проникновения ионов в среду, известная как брегговский пик поглощения [5-8]. В результате, область локализации основной части энерговклада располагается в глубине вещества, а приповерхностный слой при таком воздействии остается слабо нагруженным. При этом величина энерговклада в области брегговского пика растет с увеличением атомного номера заряженной частицы. Благодаря этому, наиболее актуальные направления прикладного применения пучков заряженных частиц, и в особенности пучков тяжелых ионов, связаны с областями модификации свойств и внутренней структуры веществ, в частности - объемной литографии и лучевой терапии раковых опухолей [9-11].
При увеличении интенсивности потоков тяжелых ионов создается возможность достижения экстремальных состояний вещества с высокой плотностью энергии, представляющих интерес с фундаментальной точки зрения. В настоящее время использование интенсивных пучков ионов с энергиями в десятки ГэВ рассматриваются в качестве средства дл создания условий инерциального термоядерного синтеза [12-18], а также для исследований свойств вещества при крайне экстремальном и локализованном энергетическом воздействии [19,20].
Помимо развития ускорительной техники, причиной для начала использования тяжелоионных пучков послужили достижения в области вычислительной техники, современные мощности и подходы которой позволяют с высокой точностью моделировать процесс распространения тяжелых ионов в веществе [21-24], трудно поддающийся строгому аналитическому описанию. Такие расчеты основаны, прежде всего, на эмпирических данных, поэтому дальнейшее развитие экспериментальных методов измерения параметров тяжелых ионов и состояния вещества мишени в области их воздействия является чрезвычайно важной задачей. Используемые в настоящий момент средства диагностики ионного пучка позволяют проводить измерения параметров ионов после их выхода из мишени [22,25-33]. Обеспечение прямых измерений внутри объема взаимодействия и диагностика эволюции параметров пучка при его торможении в веществе являются следующим шагом в развитии измерительных подходов, особенно актуальным для исследований воздействия на объекты со сложной внутренней структурой, такие как биологические ткани, наноматериалы и т.п.
В настоящее время для диагностики экстремальных состояний, формирующихся при энергетическом воздействии различной природы, хорошо развиты методы рентгеноспектрального анализа с пространственным разрешением [34-36]. Ввиду проникающей способности характеристического рентгеновского излучения адаптация таких рентгеноспектральных методов для задач диагностики параметров ионного пучка внутри объема взаимодействия с конденсированными средами позволяет решить задачу наблюдения непосредственно внутри объема взаимодействия. Одновременно с этим, применение в качестве мишеней твердотельных веществ с экстремально низкой средней плотностью [37,38] позволяет увеличить в десятки раз диапазон торможения ионов в веществе и делает возможным разрешение эволюции диагностируемых величин по мере торможения ионов внутри мишени [39,40].
Для большинства применений используются пучки тяжелых ионов высокой интенсивности, вкладывающие в вещество значительную суммарную энергию. Несмотря на это, с фундаментальной точки зрения представляет интерес процесс взаимодействия одиночных тяжелых ионов с веществом. Хорошо известен факт образования треков в конденсированных средах при прохождении одиночных ионов [41,42], причем поперечный размер трека много больше диаметра самого иона, что говорит о существовании интенсивной нагрузки, превышающей предел текучести материала, на расстояниях даже достаточно удаленных от оси трека. Иными словами, величина энерговклада одиночным ионом достаточна для создания экстремального состояния вещества на малых временах после прохождения иона. Действительно, за счет сильной локализации области воздействия, малая в абсолютных величинах энергия одиночного иона обеспечивает экстремальное воздействие с характерным значением плотности энерговклада на уровне МДж/г. В результате, такое состояние представляет интерес для исследований наравне с условиями, создаваемыми в экспериментах по воздействию сверхмощных лазерных импульсов, электрических разрядов и эксплозии взрывчатых веществ.
Однако скорость релаксации создаваемого таким образом возбуждения настолько велика, что для его диагностики необходимо использовать методику, обеспечивающую получение данных на первых десятках фемтосекунд после пролета ионов. Этому условию удовлетворяет метод, основанный на регистрации рентгеновских спектров, излучаемых возбужденными атомами среды мишени, для которых время жизни возбужденных уровней составляет десятки фемтосекунд [43,44].
Экспериментальная информация, полученная таким способом, поможет существенно уточнить параметры возмущений, генерируемых в веществе мишени. Она также может быть использована для построения плазменной модели релаксации возбуждения в области трека тяжелого иона, более точно, чем существующие равновесные модели, описывающей начальную и во многом определяющую, стадию формирования треков тяжелых энергетичных частиц в конденсированных средах.
Возможность одновременно проводить рентгеноспектральные исследований параметров ионного пучка и вещества в области трека с помощью одной и той же измерительной аппаратуры, позволят создать комплексный метод прямой диагностики процесса взаимодействия тяжелых ионов с веществом и уточнить имеющиеся представления об этом процессе.
Цель работы состоит в развитии и применении нового рентгеноспектрального метода диагностики процесса взаимодействия пучков тяжелых ионов с конденсированными средами, позволяющего исследовать эволюцию параметров как ионного пучка непосредственно внутри объема взаимодействия, так и вещества в области треков ионов на малых временах после возбуждения. Научная новизна работы.
Развит метод прямого измерения скорости и зарядового состояния ионного пучка внутри конденсированной среды с пространственным разрешением вдоль направления распространения ионов
Исследована эволюция скорости и зарядового состояния пучков различных ионов по мере их торможения внутри твердотельных объектов, установлено отличие зарядового состояния пучка внутри и на выходе твердотельной мишени.
Зарегистрированы рентгеновские спектры излучения мишеней, возбуждаемых потоком одиночных тяжелых ионов, с пространственным разрешением вдоль направления распространения ионов.
Исследована зависимость спектров излучения мишеней от величины удельного энерговклада тяжелых ионов в вещество, получены основания для построения модели неравновесной плазмы, формирующейся в области треков одиночных тяжелых ионов на начальном этапе возбуждения среды.
Научная и практическая ценность работы.
Развитый рентгеноспектральный метод измерения параметров ионов внутри конденсированной среды может быть использован в задачах исследования состояния среды, находящейся в экстремальном состоянии, и в различных прикладных областях, в частности, для контроля распространения ионов и обеспечения обратной связи при модификации веществ, в особенности, имеющих сложную внутреннюю структуру. Экспериментальная информация, полученная таким методом, поможет существенно уточнить параметры возмущений, генерируемых в веществе мишени, а также может быть использована для построения плазменной модели релаксации возбуждения вещества в области трека тяжелого иона. Завершение построения плазменной модели обеспечит задание точных начальных условий для получивших в настоящее время широкое распространение методов гидродинамического моделирования процессов воздействия пучков тяжелых частиц на среды различной природы. Положения, выносимые на защиту:
Развитие и экспериментальная апробация рентгеноспектрального метода прямого измерения эволюции скорости и зарядового состояния ионного пучка при его распространении внутри конденсированных сред различной природы.
Измерение эволюции параметров пучков тяжелых ионов вдоль направления их распространения внутри конденсированных сред.
Измерение рентгеновских спектров излучения мишеней, возбуждаемых одиночными тяжелыми ионами с пространственным разрешением вдоль оси треков.
Исследование зависимости спектров излучения среды от условий возбуждения - величины удельного энерговклада, атомного номера и энергии возбуждающих ионов; обоснование предпосылок для создания плазменной модели релаксации вещества вблизи оси трека одиночного тяжелого иона на первых десятках фемтосекунд после возбуждения среды.
Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, были апробированы автором в докладах на Международных конференциях International Workshop on High Energy Density in Matter, 2003, 2004 (Hirschegg, Austria); «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», 2005 (Эльбрус, Каб.-балк. респ.); International conference «Strongly Coupled Coulomb Systems», 2005 (Moscow, Russia); International symposium on Optics&Photonics, 2005 (San Diego, USA); Форум «Всемирный год физики в Московском Университете», 2005 (Москва); «Уравнения состояния вещества», 2006 (Эльбрус, Каб.-балк. респ.); American Physical Society April Meeting, 2006 (Dallas, USA); XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 2005 (Санкт-Петербург). Публикации.
По материалам диссертации опубликованы 6 статей в реферируемых журналах , 5 работ в сборниках трудов конференций, 4 отчета GSI, а также в ряде сборников трудов конференций и институтов — всего 15 публикаций [39,40,45-57].
Структура и содержание диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, и списка использованной литературы, всего 142 страницы текста, включая 35 рисунков и библиографию из 128 наименований.
Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, представлены сведения о структуре диссертации и практической ценности работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе на основе анализа литературы сформулированы основные положения теоретического описания кулоновского торможения заряженных частиц нерелятивистских энергий в холодном веществе в приближении точечного иона. Рассмотрено понятие эффективного заряда ионов. Обсуждаются наиболее актуальные направления прикладного и фундаментального использования пучков тяжелых ионов. Анализируется современное состояние экспериментальных методов измерения параметров ионов и вещества в области треков, показывается необходимость постановки задачи по совершенствованию диагностических методов для исследования взаимодействия ионов с конденсированными средами. Обсуждаются доступные в настоящее время параметры рентгеноспектралыюй диагностики с пространственным разрешением и возможность ее применения для исследуемого взаимодействия. В главе 2 описывается развитый в настоящей работе рентгеноспектральный метод диагностики параметров ионного пучка и их эволюции по мере торможения ионов в веществе. Представлены результаты серии экспериментов, проведенных в Gesselschaft fur Schwerionenforschung (GSI, Дармштадт, Германия) на ионных пучках с различным атомным номером и начальным зарядовым состоянием по облучению аэрогельных кварцевых мишеней различной средней плотности. Полученные зависимости скорости и зарядового состояния ионного пучка от глубины проникновения в вещество сравниваются с результатами численного расчета, а также с результатами время-пролетных и магнито-спектроскопических измерений, выполненных совместно с сотрудниками Института теоретической и экспериментальной физики. Рассматривается вопрос о достижимой точности спектроскопических измерений. На основе сравнительного анализа данных формулируются выводы о динамике торможения ионов внутри конденсированных сред.
В третьей главе рассматривается состояние вещества мишени в области треков одиночных тяжелых ионов на первых десятках фемтосекунд после возбуждения. Описывается процесс начального энерговклада в среду со стороны тяжелого иона, с точностью до порядка величин определяются основные параметры формируемого экстремального состояния. Представляются результаты измерений рентгеновских спектров излучения кварцевых и алюминиевых мишеней при их возбуждении одиночными тяжелыми ионами. Полученные спектры анализируются с точки зрения их зависимости от условий возбуждения и величины начального энерговклада. С привлечением расчетов радиационной кинетики по спектральным результатам проводятся оценки параметров электронной компоненты плазмы в момент излучения. Обосновывается необходимость создания плазменной модели экстремального состояния, создаваемого в веществе при прохождении тяжелого иона, и его релаксации к моменту излучения наблюдаемых спектральных компонент.
В заключении приведены основные результаты работы.
Методы диагностики параметров ионного пучка при его торможении в веществе. Рентгеноспектральная диагностика параметров среды, возбужденной тяжелоионным пучком
Развитие и экспериментальная апробация рентгеноспектрального метода прямого измерения эволюции скорости и зарядового состояния ионного пучка при его распространении внутри конденсированных сред различной природы.
Измерение эволюции параметров пучков тяжелых ионов вдоль направления их распространения внутри конденсированных сред.
Измерение рентгеновских спектров излучения мишеней, возбуждаемых одиночными тяжелыми ионами с пространственным разрешением вдоль оси треков.
Исследование зависимости спектров излучения среды от условий возбуждения - величины удельного энерговклада, атомного номера и энергии возбуждающих ионов; обоснование предпосылок для создания плазменной модели релаксации вещества вблизи оси трека одиночного тяжелого иона на первых десятках фемтосекунд после возбуждения среды.
Материалы, вошедшие в диссертацию, были апробированы автором в докладах на Международных конференциях International Workshop on High Energy Density in Matter, 2003, 2004 (Hirschegg, Austria); «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», 2005 (Эльбрус, Каб.-балк. респ.); International conference «Strongly Coupled Coulomb Systems», 2005 (Moscow, Russia); International symposium on Optics&Photonics, 2005 (San Diego, USA); Форум «Всемирный год физики в Московском Университете», 2005 (Москва); «Уравнения состояния вещества», 2006 (Эльбрус, Каб.-балк. респ.); American Physical Society April Meeting, 2006 (Dallas, USA); XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 2005 (Санкт-Петербург). Публикации.
По материалам диссертации опубликованы 6 статей в реферируемых журналах , 5 работ в сборниках трудов конференций, 4 отчета GSI, а также в ряде сборников трудов конференций и институтов — всего 15 публикаций [39,40,45-57].
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, и списка использованной литературы, всего 142 страницы текста, включая 35 рисунков и библиографию из 128 наименований.
Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, представлены сведения о структуре диссертации и практической ценности работы, сформулированы положения, выносимые на защиту. В первой главе на основе анализа литературы сформулированы основные положения теоретического описания кулоновского торможения заряженных частиц нерелятивистских энергий в холодном веществе в приближении точечного иона. Рассмотрено понятие эффективного заряда ионов. Обсуждаются наиболее актуальные направления прикладного и фундаментального использования пучков тяжелых ионов. Анализируется современное состояние экспериментальных методов измерения параметров ионов и вещества в области треков, показывается необходимость постановки задачи по совершенствованию диагностических методов для исследования взаимодействия ионов с конденсированными средами. Обсуждаются доступные в настоящее время параметры рентгеноспектралыюй диагностики с пространственным разрешением и возможность ее применения для исследуемого взаимодействия. В главе 2 описывается развитый в настоящей работе рентгеноспектральный метод диагностики параметров ионного пучка и их эволюции по мере торможения ионов в веществе. Представлены результаты серии экспериментов, проведенных в Gesselschaft fur Schwerionenforschung (GSI, Дармштадт, Германия) на ионных пучках с различным атомным номером и начальным зарядовым состоянием по облучению аэрогельных кварцевых мишеней различной средней плотности. Полученные зависимости скорости и зарядового состояния ионного пучка от глубины проникновения в вещество сравниваются с результатами численного расчета, а также с результатами время-пролетных и магнито-спектроскопических измерений, выполненных совместно с сотрудниками Института теоретической и экспериментальной физики. Рассматривается вопрос о достижимой точности спектроскопических измерений. На основе сравнительного анализа данных формулируются выводы о динамике торможения ионов внутри конденсированных сред. В третьей главе рассматривается состояние вещества мишени в области треков одиночных тяжелых ионов на первых десятках фемтосекунд после возбуждения. Описывается процесс начального энерговклада в среду со стороны тяжелого иона, с точностью до порядка величин определяются основные параметры формируемого экстремального состояния. Представляются результаты измерений рентгеновских спектров излучения кварцевых и алюминиевых мишеней при их возбуждении одиночными тяжелыми ионами. Полученные спектры анализируются с точки зрения их зависимости от условий возбуждения и величины начального энерговклада. С привлечением расчетов радиационной кинетики по спектральным результатам проводятся оценки параметров электронной компоненты плазмы в момент излучения. Обосновывается необходимость создания плазменной модели экстремального состояния, создаваемого в веществе при прохождении тяжелого иона, и его релаксации к моменту излучения наблюдаемых спектральных компонент.
Использование эффекта Доплера для определения скорости ионов в процессе их торможения в среде
Наибольшее развитие и широту применения в настоящий момент получили экспериментальные методы диагностики параметров тяжелых ионов и тормозной способности вещества, основанные на измерении характеристик ионов на выходе из тормозящего вещества. Для измерения зарядового состояния ионного пучка используются магнитные спектрометры, основанные на отклонении прошедшего через мишень пучка в поле дипольного магнита [31,77]. При низких энергиях применяется комбинация скрещенных магнитных и электрических полей, позволяющая одновременно проводить энергетические измерения для ионов различной зарядности [78]. База данных по зарядовым состояниям и сечениям изменения заряда представлены в обзоре [22]. При этом, согласно теории Бора-Линдхарта [59], большая величина среднего заряда при прохождении плотных мишеней по сравнению с газовыми объясняется за счет высокой частоты столкновений иона с атомами в твердом теле, приводящих к постоянной дополнительной ионизации возбужденных состояний ионов. Измерения на выходе из конденсированных мишеней могут не в полной мере определить величину этого эффекта, поскольку тяжелый ион в возбужденном состоянии длительное время распространяется до попадания на детектор без взаимодействия с атомами вещества и его заряд может уменьшиться за счет рекомбинации. В результате, для более точного описания зарядового состояния ионов необходимо развитие методов прямой диагностики зарядового состояния ионного пучка внутри объема взаимодействия.
Для измерения скорости ионов, и, соответственно, определения тормозной способности вещества мишени традиционно применяются время-пролетные методы [62,79,80]. Регистрация момента прихода ионов на детектор после прохождения мишени осуществляется при помощи стоп-детектора -микроканалыюй или микросферической пластины. Определение времени пролета ионов и, соответственно их скорости, осуществляется с опорой на высокочастотный сигнал с ускорителя, максимумы которого соответствуют моментам генерации микроимпульсов ионного пучка. Данный метод позволяет построить зависимость скорости ионов и, соответственно, их кинетической энергии, от толщины мишени, а затем по углу наклона кривой однозначно определить тормозную способность вещества мишени и ее изменение при уменьшении скорости тормозящихся частиц. Большой интерес представляют последние работы [81,82], в которых проводилось измерение энергетических потерь ионов с энергией в сотни МэВ/нуклон в свинцовой мишени, и было достигнуто значение рекордного удельного энерговклада в вещество.
Представленные пролетные методы диагностики параметров ионного пучка обладают двумя существенными недостатками: - проведением измерений на выходе из образца мишени, ведущее к невозможности учета краевых эффектов при прохождении ионами границы раздела вещество/вакуум; - высокой чувствительностью к неоднородностям в плотности и толщине мишеней.
Наличие дислокаций или неоднородностей в мишени приводит к значительному расплыванию профиля регистрируемых сигналов как на магнитом спектрометре, так и на стоп-детекторе, и делает невозможным проведение исследований для объектов с внутренней структурой и большинства реальных объектов в технологических процессах.
Для преодоления этих недостатков необходимо развивать методы сканирования параметров тяжелых ионов непосредственно в объеме взаимодействия, с разрешением, достаточным для установления наличия дислокаций и их влияния на процесс торможения ионов. В частности, для этого может быть использовано характеристическое рентгеновское излучение тормозящихся ионов пучка. Также для задачи преодоления недостатков пролетных методов в последние годы в ГНЦ ИТЭФ был разработан метод толстой мишени измерения энергетических потерь ионных пучков, основанный на калориметрическом измерении выделяемой в слое вещества энергии.
Детальный обзор всех существующих диагностических методов определения параметров ионного пучка при взаимодействии с холодным и плазмо-подобным веществом, представлен в [83]. Применение ионных пучков в различных областях исследований и технологических процессах создает необходимость в разработке методов обратной связи по оказываемому воздействию на облучаемый потоком ионов образец. В настоящее время для этого используется диагностика гамма-квантов, излучаемых из области максимального энерговклада - брегговского пика. При этом методы неразрушающего контроля состояния вещества в области трека, предваряющей область пикового поглощения, развиты недостаточно. Ясно, что для неразрушающего контроля внутри конденсированных сред необходимо использовать проникающее характеристическое излучение. Это может быть как собственное излучение возбужденной мишени, так и специальный источник.
В 70-80 годы XX века были проведены экспериментальных исследования по измерению рентгеновских спектров излучения газообразных и конденсированных сред, возбужденных потоками тяжелых ионов с энергиями в единицы МэВ/нуклон. Представленные в [84-88] результаты измерений свидетельствуют о наличии в спектре мишени групп диэлектронных сателлитов к резонансному переходу 2p-ls в Н- и He-подобных ионах, излученных атомами мишени с различной кратностью ионизации. При этом было обнаружено, что регистрируемые спектры чувствительны к условиям возбуждения. Изменение типа вещества мишени и атомного номера ионов пучка, отражается на положении по спектру и относительных интенсивностях отдельных спектральных компонент. Это позволяет сделать вывод о возможности использования спектров диэлектронных сателлитов для анализа состояния вещества в области треков тяжелых ионов.
Измерение относительных интенсивностей спектральных линий излучения тяжелых ионов по мере их торможения в веществе. Учет аппаратных функций приборов и условий постановки эксперимента
Данная глава посвящена экспериментальному исследованию параметров ионного пучка при его распространении внутри твердотельных объектов. В связи с активным использованием пучков тяжелых ионов в различных прикладных и фундаментальных областях, существует необходимость развития диагностических методов определения параметров ионного пучка, особенно, в диапазоне торможения до брегговского пика поглощения. Для этого предлагается использовать характеристическое рентгеновское излучение тормозящихся ионов пучка и по спектрально и пространственно разрешенным данным проводить измерения параметров ионов в процессе их торможения.
В основополагающих теоретических работах [22,60] было показано, что ход процесса торможения ионов в веществе практически определяется величиной эффективного заряда пучка. Эта величина, в свою очередь, является функцией экспериментально измеряемых величин заряда и энергии компонент пучка. При этом в настоящее время отсутствует аналитическое описание зависимости заряда ионного пучка от его энергии внутри конденсированных сред, что делает необходимым использование эмпирических и полуэмпирических подходов [73,94] к описанию эволюции зарядового состояния ионов. Настоящая работа направлена на расширение и уточнение экспериментальных данных о состоянии ионного пучка и его параметрах, определяющих динамику торможения и величину удельного энерговклада в среду мишени.
С другой стороны, выявленное отличие зарядового состояния пучков, распространяющихся в газообразных и конденсированных средах [22,76] поднимает вопрос о соответствии зарядового состояния ионов после выхода из образца тому состоянию, в котором они распространяются непосредственно в плотном веществе[70]. Основное преимущество предлагаемого рентгеноспектрального метода заключается в проникающей способности рентгеновского излучения, достаточной для проведения прямых измерений непосредственно внутри объема взаимодействия ионов с конденсированной средой.
В главе дано описание развиваемого рентгеноспектрального метода диагностики скорости и зарядового состояния ионов пучка, основанного на измерениях положения по спектру и относительных интенсивностей спектральных компонент, соответствующих резонансным переходам и их диэлектронным сателлитам в ионах высокой кратности ионизации. Обосновывается необходимость использования в качестве мишеней модельных аэрогельных сред с экстремально низкой средней плотностью и обеспечивающих многократно увеличенный диапазон торможения. Излагаются принципы и экспериментальная реализация измерительной установки для одновременной диагностики параметров ионного пучка рентгеноспектральным и пролетными методами.
Представляются результаты измерения спектров излучения многозарядных ионов Са и Mg, имеющих исходную энергию 11.4 МэВ/нуклон и тормозящихся в кварцевых аэрогелях плотностью от 0.15 до 0.023 г/см , с пространственным разрешением вдоль направления их распространения в веществе. На основе спектральных данных вычисляются значения скоростей и зарядового состояния ионов пучка в динамике изменения этих величин при проникновении ионов вглубь вещества. Обсуждаются характерные точности измерений, достигаемые для рентгеноспектрального метода. Проводится сравнительный анализ данных, полученных при ренттеноспектральных и пролетных измерениях и в результате численного моделирования процесса торможения ионов в веществе. Рассматриваются вопросы о дальнейших шагах по развитию метода и определению эффективного заряда ионного пучка внутри конденсированной среды в его эволюции вдоль оси пучка. На первом этапе выполнения работы был разработан и реализован новый рентгеноспектральный метод регистрации состояния пучка тяжелых ионов, тормозящихся внутри мишени. В основу метода положено наблюдение за излучением ионов в рентгеновском диапазоне при их взаимодействии со средой мишени. При проникновении в мишень высокоэнергетичные ионы пучка подвергаются процессу глубокой и иногда полной ионизации за счет взаимодействия с электронными облаками атомов среды. Данный процесс происходит в приповерхностном слое мишени толщиной несколько сотен нанометров, после чего в среде распространяются ионы с различными зарядовыми состояниями. При этом велика вероятность ионизации внутренних оболочек ионов, а созданные на них вакансии могут замещаться путем излучения кванта в рентгеновском диапазоне. Спектр такого характеристического излучения содержит важную информацию об излучающих объектах - тяжелых ионах, распространяющихся вігутри конденсированной среды.
Высокая проникающая способность рентгеновского излучения и свойства используемой регистрирующей аппаратуры позволяют проводить измерения внутри всего излучающего объема взаимодействия с разрешением по пространству.
Одной из идей диагностического метода является использование для регистрации скорости ионного пучка эффекта Доплера. При энергии ионов в единицы МэВ/нуклон их скорость составляет несколько процентов от скорости света. При таких скоростях происходит заметное смещение спектальных линий в спектре излучения иона, которое зависит от скорости иона и может быть количественно зарегистрировано аппаратурой со спектральным разрешением Х/АХ 103. При торможении ионов пучка в веществе с МэВ-ных энергий до нулевых величина смещения спектральных линий за счет эффекта Доплера будет значительно меняться. Это приводит к тому, что, при регистрации спектров излучения ионов без пространственного разрешения в направлении их распространения, результирующий профиль каждой спектральной линии будет уширен за счет суперпозиции излучения ионов всего диапазона энергий. В таком случае измерение динамики изменения энергии тяжелых ионов по мере их проникновения в среду по положению максимума и профилю спектральной линии крайне затруднительно. Для решения этой проблемы в настоящей работе предлагается использовать метод, обеспечивающий регистрацию спектров одновременно с высоким спектральным и пространственным разрешениями вдоль направления распространения пучка.
Условие независимости актов взаимодействия единичных ионов со средой и его экспериментальная реализация
Предлагаемый рентгеноспектральный метод может быть реализован только при одновременном выполнении ряда технических требований, налагаемых на основной диагностический элемент — кристаллический спектрометр. Прежде всего, как было показано в предыдущем разделе, необходимо обеспечение, одновременно со спектральным, высокого пространственного разрешения. Следует особо подчеркнуть, что размер зоны рентгеновского излучения при прохождении тяжелоионного пучка через вещество достигает достаточно больших размеров 1 - 3 мм. Обычно это приводит к резкому ухудшению спектрального разрешения и, как следствие, требует применения рентгеновских спектрографов, у которых спектральное разрешение практически не зависит от размера источника. Кроме того, крайне важным параметром является светосила аппаратуры, удовлетворительная для регистрации спектров диэлектроппых сателлитов при доступном времени экспозиции. Требования на спектральное разрешение определяются из соображений необходимой точности измерений скорости ионов пучка. Этот вопрос будет рассмотрен количественно в следующем разделе, а здесь можно сделать предположение, что спектральная разрешающая способность Л/8Л должна превышать 103 для разрешения групп диэлектронных сателлитов, излученных ионами с различным числом вакансий на внутренних оболочках. Как было показано в разделе 1.3, всем перечисленным требованиями наилучшим образом соответствуют рентгеновские спектрометры с использованием сферически изогнутых кристаллов в качестве диспергирующих элементов [95,96].
Такие дисперсионные элементы совмещают в себе Брегговские отражательные свойства кристаллической поверхности и оптические отражательные свойства сферической поверхности. В результате, спектрометрами формируется спектрально разрешенное сфокусированное изображение рентгеновского источника с пространственным разрешение без использования щелей или камеры обскура, а спектрометры получили название ФСПР (фокусирующий спектрометр с пространственным разрешением). Основные принципы работы таких спектрометров представлены в разделе 1.3.
Конкретные конфигурации регистрирующей аппаратуры определяются из условий эксперимента. Приведем описание основных параметров проводимых экспериментов.
Эксперименты проводились в ускорительном центре Gesselschaft fur Schwerionenforschung (GSI) в г. Дармштадт, Германия. Экспериментальная программа проводилась под руководством сотрудника GSI, к.ф.-м.н. Розмей О.Н. Источником энергетичных ионов являлся линейный ускоритель UNILAC, обладающий уникальной способностью генерировать и ускорять до энергий 11.4 МэВ/нуклон тяжелые частицы широкого диапазона масс (вплоть до ионов урана). Для задач исследований представляло интерес получение базы данных измерений для ионов различного атомного номера, при этом доступными для наблюдения предлагаемым методом являлись ионы, имеющие длины волн рентгеновских переходов 2p-ls в диапазоне от 1.5 до 19 ангстрем. Нижняя граница этого диапазона задается отражательными свойствами используемых диспергирующих элементов -коэффициент отражения кристаллов недостаточен для более коротких длин волн; верхняя граница определена максимальным межплоскостным расстоянием имеющихся кристаллов - для больших длин волн не выполняется условие формирования дифракционных максимумов.
В результате выбор ионов пучка производился в интервале атомных номеров от Na до Zn, и с целью наилучшего перекрытия доступного диапазона атомных номеров были выбраны три типа ионов Mg (с массой 26 а.е.м и зарядом +5е), 48Са+6 и 58Ni+I3. Исходная энергия ионов в большинстве случаев была выбрана максимально возможной - 11.4 МэВ/нуклон, для обеспечения наибольшего диапазона торможения пучка внутри вещества. В ряде случаев для целей сравнительного анализа динамики ионов с различной исходной энергией дополнительно проводились эксперименты с ионами исходной энергии 5.9 МэВ/нуклон. Принципиальная схема экспериментальной установки для измерения параметров ионного пучка с пространственным разрешением вдоль направления его распространения внутри твердотельного объекта представлена на Рис. 2.5. Спектрометры размещались в пространстве таким образом, чтобы обеспечить наблюдение рентгеновского излучения области взаимодействия пучка и среды, выходящего с боковой грани образца мишени, причем пространственное разрешение регистрирующей аппаратуры было направлено вдоль направления распространения ионов в образце. Угол наблюдения в плоскости распространения пучка выбирался из конкретных задач эксперимента и изменялся в диапазоне от +20 до -10 градусов относительно нормали к оси пучка. Схема эксперимента сохранялась для наблюдения взаимодействия ионов различных химических элементов с мишенями различной природы и плотности, при этом настройке подвергаются только дисперсионные схемы и направление наблюдения используемых спектрометров. С описанием экспериментов и принципов диагностических схем можно также ознакомиться в [39].
В качестве диспергирующих элементов были использованы сферически изогнутые кристаллы слюды (2d = 19.937 А) и кварца с ориентацией плоскостей 10 11 (2d = 8.512 А) с радиусами кривизны 100 и 150 мм. Конкретные конфигурации дисперсионных схем, рабочие порядки отражения, центральные длины волн наблюдаемых диапазонов для различных экспериментов представлены в Таб. 2.2.
