Влияние атомных процессов на зарядовые состояния и фракции быстрых тяжёлых ионов при прохождении через газовые, твердотельные и плазменные мишени
И.Ю. Толстихинаа,б,
В.П. Шевелькоа аФизический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект 53, Москва, 119991, Российская Федерация бМосковский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет), Институтский пер. 9, Долгопрудный, Московская обл., 141701, Российская Федерация
Представлен обзор экспериментальных данных и теоретических методов расчёта по исследованию атомных процессов с изменением зарядового состояния ионных пучков при прохождении через газовые, плазменные и твердотельные мишени. Основное внимание уделено процессам перезарядки и ионизации с участием тяжёлых многоэлектронных ионов (типа Arq+, Кrq+, Pbq+, Wq+, Uq+) при относительно больших и релятивистских энергиях E = 50 кэВ/нуклон — 10 ГэВ/нуклон, включая многоэлектронные процессы, приводящие к увеличению полных сечений на 50% и более. Большое место занимает рассмотрение тормозной способности вещества — основной величины, характеризующей потерю кинетической энергии ионов из-за взаимодействия с частицами вещества. Кратко рассмотрен вопрос о перезарядке тяжёлых ионов на атомах при медленных столкновениях E < 10 эВ/нуклон и роли возникающего при этих энергиях изотопического эффекта. Рассмотрены вопросы динамики формирования зарядовых фракций и равновесных зарядов ионных пучков при взаимодействии со средами на основе решения системы дифференциальных уравнений зарядового баланса, в том числе вопросы образования равновесных фракций и зарядов, равновесной толщины мишени, среднего заряда ионного пучка и т.д. Приведено краткое описание компьютерных программ ETACHA, GLOBAL, CHARGE, BREIT для расчёта зарядовых фракций как функции толщины мишени, а также рассмотрены некоторые приложения использования зарядовых фракций: при детектировании сверхтяжёлых элементов и решении задач лабораторной и астрофизической плазмы. Объяснение физических процессов и эффектов в работе проводится в терминах атомной физики с помощью столкновительных и радиационных характеристик тяжёлых многоэлектронных ионов при их взаимодействии с атомами, ионами, электронами и молекулами.
Ключевые слова: ион-атомные столкновения, эффективные сечения, зарядовые фракции, уравнения зарядового баланса, тормозная способность, перезарядка, обдирка PACS:34.10.+x, 34.50.Fa, 34.70.+e (все) DOI:10.3367/UFNr.2017.02.038071 URL: https://ufn.ru/ru/articles/2018/3/b/ 000435395400002 2-s2.0-85042859797 2018PhyU...61..247T Цитата: Толстихина И Ю, Шевелько В П "Влияние атомных процессов на зарядовые состояния и фракции быстрых тяжёлых ионов при прохождении через газовые, твердотельные и плазменные мишени" УФН188 267–300 (2018)
Betz H D Applied Atomic Collisions Physics Vol. 4 Condensed Matter (Ed. S Datz) (New York: Academic Press, 1983) p. 2
Ziegler J F, Biersack J P, Littmark U The Stopping and Range of Ions in Solids(The Stopping and Ranges of Ions of Matter) Vol. 1 (New York: Pergamon, 1985)
Вайнштейн Л А, Собельман И И, Юков Е А Возбуждение атомов и уширение спектральных линий (М.: Наука, 1979); Пер. на англ. яз., Sobelman I I, Vainshtein L A, Yukov E A Excitation of Atoms and Broadening of Spectral Lines (Berlin: Springer-Verlag, 1981)
Пресняков Л П, Шевелько В П, Янев Р К Элементарные процессы с участием многозарядных ионов (М: Энергоатомиздат, 1986)
Вайнштейн Л А, Шевелько В П Структура и характеристики ионов в горячей плазме (М.: Наука, 1986)
Janev R K et al. Elementary Processes in Hydrogen-Helium Plasmas: Cross Sections and Reaction Rate Coefficients (Berlin: Springer-Verlag, 1987)
Никитин Е Е, Смирнов Б М Атомно-молекулярные процессы: в задачах с решениями (М.: Наука, 1988)
Парилис Э С Оже-процессы при атомных столкновениях (Отв. ред. О Б Фирсов) (Ташкент: ФАН, 1989)
Andersen H H, Sigmund P (Eds) Proc. of the Intern. Workshop on the Slowing Down of Ions STOPOI(Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, Vol. 69 , Iss. 1) (Amsterdam: North-Holand, 1992)
Bethe H A, Salpeter E E Quantum Mechanics of One- and Two-Electron Atoms (Berlin: Springer, 1957)
Ландау Л Д, Лифшиц Е М Квантовая механика. Нерелятивистская теория (М.: Физматгиз, 1963); Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Quantum Mechanics. Non-Relativistic Theory (Oxford: Pergamon Press, 1965)
"Stopping powers and ranges for protons and alpha particles" ICRU Report No. 49 (Bethesda, MD: International Commission on Radiation Units and Measurements, 1993)
Ziegler J F Handbook of Stopping Cross-sections for Energetic Ions in All Elements(The Stopping and Ranges of Ions in Matter) Vol. 5 (New York: Pergamon Press, 1980); Littmark U, Ziegler J F Handbook of Range, Distributions for Energetic Ions in All Elements(The Stopping and Ranges of Ions in Matter) Vol. 6 (New York: Pergamon Press, 1980)
Комаров И В, Пономарев Л И, Славянов С Ю Сфероидальные и кулоновские сфероидальные функции (М.: Наука, 1976)
Solov'ev E A ITAMP Workshop on Hidden Crossings in Ion-Atom Collisions and in Other Nonadiabatic Transitions (Cambridge: Harvard Smithsonian Center for Astrophysics, 1991)