Релятивистские расчеты полностью дифференциальных сечений ионизации в ион-атомных столкновениях Бондарев Андрей Игоревич

Введение к работе

Актуальность работы

Экспериментальный прогресс последних лет в исследовании столкновений ионов с атомами и молекулами во многом связан с разработкой и применением техники COLTRIMS (cold target recoil ion momentum spectroscopy) и ее новейших усовершенствований. Благодаря этим методам стало возможно измерять полностью дифференциальные сечения ионизации в ион-атомных и ион-молекулярных столкновительных экспериментах. Полностью дифференциальные сечения ионизации позволяют получить наиболее полную информацию о динамике столкновения. Они представляют намного более строгий тест для теории, чем полные или дифференциальные только по переменным испущенного электрона сечения ионизации, успешно измеряемые уже давно. В настоящее время все имеющиеся теоретические методы, применяемые для расчетов полностью дифференциальных сечений ионизации в ион-атомных столкновениях, основаны на нерелятивистском уравнении Шредингера. Планируемые эксперименты на строящейся международной установке FAIR (facility for antiproton and ion research) по изучению полностью дифференциальных сечений ионизации в столкновениях тяжелых ионов и атомов требуют теоретического описания, учитывающего релятивистские эффекты. В настоящей диссертации представлен релятивистский метод, основанный на уравнении Дирака, для расчетов полностью дифференциальных сечений ионизации в ион-атомных столкновениях. Также приводятся результаты выполненных в рамках развитого метода расчетов различных дифференциальных и полных сечений ионизации.

Цель работы

Основными целями диссертации являются:

1. Разработка релятивистского метода расчета полностью дифференциальных сечений ионизации в ион-атомных столкновениях.

2. Применение разработанного метода к вычислению различных (от полностью дифференциальных до полных) сечений ионизации в столкновении

антипротона с атомом водорода.

3. Исследование влияния релятивистских эффектов на вероятность ионизации в столкновениях с участием тяжелых мишеней.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

3. Представлен основанный на уравнении Дирака релятивистский метод для вычисления полностью дифференциальных сечений ионизации в ион-атомных столкновениях.

4. Выполнен расчет всевозможных сечений ионизации атома водорода антипротонным ударом. На основе полученных результатов отдано предпочтение некоторым из уже имеющихся несогласующихся друг с другом предсказаниям других методов, основанных на уравнении Шредингера.

5. Проведено исследование влияния релятивистских эффектов на вероятность ионизации в столкновениях с участием тяжелых мишеней на примере столкновения ядра атома углерода с водородоподобным ионом ксенона.

Научная и практическая значимость работы

6. Разработан новый релятивистский метод для вычисления полностью дифференциальных сечений ионизации в ион-атомных столкновениях.

7. Выполненные с его помощью расчеты различных дифференциальных сечений ионизации атома водорода антипротонным ударом внесли ясность в причины существующего противоречия между имеющимися результатами других подходов.

8. Изучено влияние релятивистских эффектов на вероятность ионизации водородоподобного иона ксенона ядром атома углерода.

Положения, выносимые на защиту

9. Разработан релятивистский метод расчета полностью дифференциальных сечений ионизации в ион-атомных столкновениях.

10. Вычислены различные дифференциальные, а также полные сечения ионизации в столкновении антипротона с атомом водорода. Для этого

столкновения результаты имеющихся подходов значительно не согласуются друг с другом.

3. Исследовано влияние релятивистских эффектов в столкновениях с участием тяжелых мишеней на вероятность процесса ионизации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на семинарах кафедры квантовой механики физического факультета СПбГУ и семинарах "Вклад молодых ученых России в проект ФАИР" в Институте теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт". Они также были представлены на всероссийской конференции в Воронеже ("XX Конференция по Фундаментальной Атомной Спектроскопии", Воронеж;, Россия, 2013) и на международных конференциях в Братиславе ("6th Conference on Elementary Processes in Atomic Systems", Братислава, Словакия, 2014), Толедо ("XXIX International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions", Толедо, Испания, 2015), Москве ("International Conference on Many Particle Spectroscopy of Atoms, Molecules, Clusters and Surfaces", Москва, Россия, 2016), Палм Ков ("25th International Symposium on Ion-Atom Collisions", Палм Ков, Австралия, 2017) и Кане ("14th SPARC Topical Workshop", Кан, Франция, 2017).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A. I. Bondarev, Y. S. Kozhedub, I. I. Tupitsyn, V. M. Shabaev, and
G. Plunien, Ionization probabilities in low-energy heavy-ion collisions. //
Physica Scripta, 2013, vol. T156, pp. 014054-1 - 014054-3.

2. A. I. Bondarev, I. I. Tupitsyn, I. A. Maltsev, Y. S. Kozhedub, and G. Plunien, Positron creation probabilities in low-energy heavy-ion collisions. // European Physical Journal D, 2015 vol. 69 pp. 110-1 - 110-5.

3. A. I. Bondarev, Y. S. Kozhedub, I. I. Tupitsyn, V. M. Shabaev, G. Plunien, and Th. Stohlker, Relativistic calculations of differential ionization cross

sections: Application to antiproton-hydrogen collisions. // Physical Review A, 2017, vol. 95, pp. 052709-1 - 052709-11.

4. A. I. Bondarev, Y. S. Kozhedub, I. I. Tupitsyn, V. M. Shabaev, and G. Plunien, Relativistic coupled-channel calculations of differential ionization cross sections. II Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 875, p. 092020.

Личный вклад автора

На основе результатов, представленных в диссертации, совместно с соавторами было опубликовано четыре статьи в индексируемых Web of Science и Scopus журналах (Physica Scripta, European Physical Journal D, Physical Review А и Journal of Physics: Conference Series). Персональный вклад соискателя во все эти работы является определяющим. Все представленные в диссертации новые результаты получены лично соискателем или в неразделимом соавторстве.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, 6 приложений и содержит 96 страниц, 25 рисунков и 1 таблицу. Список литературы включает 84 наименования.